novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.25.93-100novtexmech-1500Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSАлгоритмизация управления мобильным колесным роботом в среде с препятствиями методом потенциальных полейControl of a Wheeled Robot on a Plane with ObstaclesМикишанинаЕ. А.MikishaninaE. A.

Канд. физ.-мат. наук, доц., науч. сотр.

Чебоксары

Cheboksary, 428015

evaeva_84@mail.ruПлатоновП. С.PlatonovP. S.

Ассистент, техник.

Чебоксары

Assistant Professor, Technician, Chuvash State University.

Cheboksary, 428015

platonov1998@chuvsu.ruЧувашский государственный университет имени И.Н. УльяноваРоссияChuvash State UniversityRussian Federation20240302202425293100Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20242024Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1500

Рассматривается алгоритм управления колесным роботом (КР) в среде со статическими и динамическими препятствиями. Робот состоит из платформы, двух колес с дифференциальным приводом и одного ролика, который используется исключительно для устойчивости конструкции и не влияет на динамику системы. Алгоритм движения робота предполагает его перемещение из начальной точки в конечную в среде с препятствиями. Программа движения робота задается посредством сервосвязей, а в основе алгоритма, реализующего программу движения, лежит метод потенциального поля. Для динамического препятствия строится отталкивающее поле, вытянутое в направлении его движения и позволяющее роботу безопасно его объезжать. Присутствует возможность изменять геометрические размеры поля за счет введенных числовых параметров. Представлен алгоритм преодоления роботом потенциальной ямы, согласно которому робота выводит из потенциальной ямы и направляет к глобальной цели введенная фиктивная точка, расположенная вне критической области (области локального минимума) и обладающая своим притягивающим полем. В работе приведены результаты численного моделирования движения робота как в среде со статическими, так и с динамическими препятствиями, а также результаты численного эксперимента с преодолением потенциальной ямы. Представлены графики искомых механических параметров. Результаты численного моделирования подтверждают эффективность предложенных алгоритмов.

The work proposes an algorithm for controlling a wheeled robot in an environment with static and dynamic obstacles. A wheeled robot (WR) consists of a platform, two wheels with a differential drive and one roller, which is used solely for the stability of the structure and does not affect the dynamics of the system. The robot’s motion algorithm assumes its movement from the starting point to the final point in an environment with obstacles. The robot’s motion program is specified through servo-constraints, and the algorithm that implements the motion program is based on the potential field method. In the case of a dynamic obstacle, a repulsive field of a shape elongated in the direction of movement of the obstacle is constructed, allowing the robot to safely go around it. It is possible to change the geometric dimensions of the field using the entered numerical parameters. An algorithm for overcoming a potential hole by a robot is presented, according to which the robot is taken out of the potential hole and directed to a global goal by an introduced fictitious point located outside the critical region (local minimum region) and having its own attractive field. The paper presents the results of numerical simulation of the robot’s movement both in an environment with static and dynamic obstacles, as well as the results of a numerical experiment with overcoming the region of a potential well. Graphs of the required mechanical parameters are presented. The results of numerical simulation confirm the effectiveness of the proposed algorithms.

управлениеколесный роботдинамикаметод потенциального полялокальный минимумдинамическое препятствиесервосвязьcontrolwheeled robotdynamicspotential field methodlocal minimumdynamic obstacleservo-constraintИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-21-10019 и Чувашской республики, https://rscf.ru/project/23-21-10019/.The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation No. 23-21-10019 and the Chuvash Republic, https://rscf.ru/en/project/23-21-10019/.ReferencesФилимонов А. Б., Филимонов Н. Б. Методология искусственных потенциальных полей в задачах локальной навигации мобильных роботов // Интеллектуальные системы, управление и мехатроника — 2017. Матер. III Всеросс. науч.-техн. конф. Севастополь: СевГУ, 2017. С. 157—160.Filimonov A. B., Filimonov N. B. Methodology of artificial potential fields in the problems of local navigation of mobile robots, Intellectual systems, control and mechatronics, The materials of the third All-Russian conference, Sevastopol, Publishing house of Sev. SU, 2017, pp. 157—160 (in Russian).Лю В. Методы планирования пути в среде с препятствиями (обзор) // Математика и математическое моделирование. 2018. № 1. С. 15—58. DOI:10.24108/mathm.0118.0000098Liu W. Path planning methods in an environment with obstacles (A review), Mat. Mat. Model, 2018, vol. 1, pp. 15—58 (in Russian), doi: 10.24108/mathm.0118.0000098Patle B. K., Babu L. G., Pandey A., Parhi D. R. K., Jagadeesh A. A review: On path planning strategies for navigation of mobile robot // Defence Technology. 2019. Vol. 15, Iss. 4. P. 582—606. DOI:10.1016/j.dt.2019.04.011Patle B. K., Babu L. G., Pandey A., Parhi, D. R. K., Jagadeesh A. A review: On path planning strategies for navigation of mobile robot, Defence Technology, 2019, vol. 15, iss. 4, pp. 582—606, doi: 10.1016/j.dt.2019.04.011Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б. Конструктивные аспекты метода потенциальных полей в мобильной робототехнике // Автометрия. 2021. Т. 57, № 4. С. 45—53. DOI: 10.15372/AUT20210406Filimonov A. B., Filimonov N. B. Constructive Aspects of the Method of Potential Fields in Mobile Robotics, Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2021, vol. 57, no. 4, pp. 371—377, doi: 10.3103/S8756699021040063Khatib O. Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots // Proceedings. 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation. St. Louis, USA. 1985. P. 500—505. DOI: 10.1109/ROBOT.1985.1087247Khatib O. Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots, Proceedings. 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation, St. Louis, USA, 1985, vol. 5, no. 1, pp. 500—505, doi: 10.1109/ROBOT.1985.1087247Борисов А. В., Мамаев И. С., Трещев Д. В. Качение твердого тела без проскальзывания и верчения: Кинематика и динамика // Нелинейная динамика. 2012. Т. 8, № 4. С. 783—797.Borisov A. V., Mamaev I. S., Treschev D. V. Rolling of a rigid body without slipping and spinning: kinematics and dynamics, J. Appl. Nonlinear Dyn., 2013, vol. 2, iss. 2, pp. 161—173, doi: https://doi.org/10.5890/JAND.2013.04.005Beghin M. H. Étude théorique des compas gyrostatiques Anschutz et Sperry, Théses de léntre-deux-guerres. Vol. 34. Paris: Impr. nationale, 1922.Beghin M. H. Étude théorique des compas gyrostatiques Anschutz et Sperry, Theses de léntre-deux-guerres, vol. 34, Paris, Impr. nationale, 1922.Appell P. Traité de mécanique rationnelle, Vol. 2: Dynamique des systémes. Mecanique analytique. Paris: Gauthier-Villars, 1932.Appell P. Traité de mécanique rationnelle, V. 2: Dynamique des systemes. Mécanique analytique, Paris, Gauthier-Villars, 1932.Азизов А. Г. К динамике систем, стесненных сервосвязями // Науч. тр. ТашГУ. 1971. С. 3—9.Azizov A. G. On the Dynamics of Systems Constrained by Servo-constraints, Nauch. Trudy TashGU, 1971, no. 397, pp. 3—9 (in Russian).Киргетов В. И. О движении управляемых механических систем с условными связями (сервосвязями) // Прикладная математика и механика. 1967. Т. 31, № 3. С. 433—446.Kirgetov V. I. The motion of controlled mechanical systems with prescribed constraints (servo-constraints), Prikl. Mat. Mekh., 1967, vol. 31, no. 3, pp. 433—446 (in Russian).Козлов В. В. Принципы динамики и сервосвязи // Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика. 1989. № 5. С. 59—66.Kozlov V. V. Principles of dynamics and servo-constraints, Vestnik Moskov. Univ. Ser. I Mat. Mekh, 1989, no. 5, pp. 59—66 (in Russian).Козлов В. В. Динамика систем с сервосвязями: 1 // Нелинейная динамика. 2015. Т. 11, № 2. С. 353—376.Kozlov V. V. The dynamics of systems with servoconstraints. I, Regul. and Chaotic Dyn., 2015, vol. 20, iss. 3, pp. 205—224, doi: 10.1134/S1560354715030016Татаринов Я. В. Уравнения классической механики в лаконичных формах. М.: Изд-во Центра прикладных исследований при механико-математическом факультете МГУ, 2005. 86 c.Tatarinov Ya. V. The Equations of Classical Mechanics in Concise Forms, Publishing House of the Centre for Applied Research at the Mechanical-Mathematical Faculty of MGU, 2005 (in Russian).Микишанина Е. А. Динамика качения сферического робота с маятниковым приводом, управляемого сервосвязью Билимовича // ТМФ. 2022. Т. 211, № 2. С. 281—294. DOI:10.4213/tmf10227.Mikishanina E. A. Rolling motion dynamics of a spherical robot with a pendulum actuator controlled by the Bilimovich servo-constraint, Theoret. and Math. Phys., 2022, vol. 211, no. 2, pp. 679—691, doi: 10.1134/S0040577922050087Mikishanina E. A. Motion Control of a Spherical Robot with a Pendulum Actuator for Pursuing a Target // Rus. J. Nonlin. Dyn. 2022. Vol. 18, N. 5. P. 899—913. DOI:10.20537/nd221223.Mikishanina E. A. Motion Control of a Spherical Robot with a Pendulum Actuator for Pursuing a Target, Rus. J. Nonlin. Dyn., 2022, vol. 18, no. 5, pp. 899—913, doi:10.20537/nd221223Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б. Вопросы управления движением мобильных роботов методом потенциального наведения // Мехатроника, автоматизация, управление. 2019. Т. 20, № 11. С. 677—685. DOI: 10.17587/mau.20.677-685.Filimonov A. B., Filimonov N. B. Issues of Motion Control of Mobile Robots Based on the Potential Guaidance Method, Mechatronics, Automatization, Control, 2019, vol. 20, no. 11, pp. 677—685 (in Russian), doi: 10.17587/mau.20.677-685Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б., Барашков А. А. Вопросы построения потенциальных полей в задачах локальной навигации мобильных роботов // Автометрия. 2019. Т. 55, № 4. С. 65—70. DOI: 10.15372/AUT20190407Filimonov A. B., Filimonov N. B., Barashkov A. A. Construction of Potential Fields for the Local Navigation of Mobile Robots, Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2019, vol. 55, no. 4, pp. 371—375, doi: 10.3103/S8756699019040071Белоглазов Д. А., Гайдук А. Р., Косенко Е. Ю. и др. Групповое управление подвижными объектами в неопределенных средах. М.: ООО Издательская фирма "Физико-математическая литература", 2015.Beloglazov D. A., Gaiduk A. R., Kosenko E. Yu. et al. Group control of mobile vehicle in uncertain environments, Ed. by V. Kh Pshihopov, Moscow, Fizmatlit Publ., 2015 (in Russian).Швидкая А. А., Хачатрян А. А. Разработка метода оптимальной навигации наземного робота для обхода статичного или движущегося препятствия // XXIV Региональная конференция молодых ученых и исследователей Волгоградской области. 2020. С. 397—399.Shvidkaya A. A., Khachatryan A. A. Development of a method for optimal navigation of a ground robot to bypass a static or moving obstacle, XXIV Regional Conference of Young Scientists and Researchers of the Volgograd Region, 2020, pp. 397—399 (in Russian).Герасимов В. Н. Система управления движением мобильного робота в среде с динамическими препятствиями // Информатика, телекоммуникации и управление. 2013. № 5(181). С. 94—102.Gerasimov V. N. The motion control system of the mobile robot in environment with dynamic obstacles, Computing, Telecommunications and Control, 2013, no. 5 (181), pp. 94—102 (in Russian).Malone N., Chiang H. T., Lesser K., Oishi M., Tapia L. Hybrid dynamic moving obstacle avoidance using a stochastic reachable set-based potential field // IEEE Transactions on Robotics. 2017. Vol. 33, N. 5. P. 1124—1138. DOI: 10.1109/TRO.2017.2705034Malone N., Chiang H. T., Lesser K., Oishi M., Tapia L. Hybrid dynamic moving obstacle avoidance using a stochastic reachable set-based potential field, IEEE Transactions on Robotics, 2017, vol. 33, no. 5, pp. 1124—1138, doi:10.1109/TRO.2017.2705034

The authors declare that there are no conflicts of interest present.