novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.21.356-365novtexmech-824Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSРазработка метода формирования траекторий движения группы подводных роботов в среде с препятствиями во время их обходаThe Path Planning Method for AUV Group Moving in Environment with ObstaclesФиларетовВ. Ф.FilaretovV. F.

д-р техн. наук

г. Владивосток

Vladivostok, 690041Vladivostok, 690922

filaret@iacp.dvo.ruЮхимецД. А.YukhimetsD. A.

д-р техн. наук

г. Владивостокг. Иннополис 

Yukhimets Dmitry, Dr.Sc., Associate Professor

Vladivostok, 690041Innopolis, 420500 

undim@iacp.dvo.ruИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАН; Дальневосточный федеральный университетРоссияInstitute of automation and control processes FEB RAS; Far Eastern Federal UniversityRussian FederationИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАН; Университет "Иннополис"РоссияInstitute of automation and control processes FEB RAS; Innopolis UniversityRussian Federation202004062020216356365Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20202020Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/824

Предложен новый метод формирования траекторий движения группы подводных роботов (ПР) в режиме "лидер—ведомые" в заданном строю в неизвестной обстановке, содержащей препятствия. В этом режиме в составе группы выделяется ПР-лидер, который имеет информацию о выполняемой миссии и формирует безопасные траектории своего движения в зависимости от ее цели и обнаруженных препятствий. ПР-ведомые должны двигаться за лидером, в соответствии с выделенным им местом в заданном строе, используя информацию о текущем положении лидера, передаваемую по гидроакустическим каналам связи, и об их расстояниях до препятствий, обнаруживаемых с помощью собственных бортовых дальномеров. Из-за низкой пропускной способности гидроакустических каналов связи возникает проблема согласования положения ПР-ведомых при обходе обнаруженных препятствий, что необходимо для исключения столкновений между ПР группы. Указанная проблема решается в работе с помощью предварительного задания для каждого ведомого единственно возможной для него траектории перемещения внутри строя, которая обеспечит ему безопасное движение относительно других ведомых при обходе конкретного обнаруженного препятствия. Этот подход позволяет при использовании высокоточных систем управления не согласовывать текущие положения ПР-ведомых относительно соседей, что не требует дополнительного обмена данными между ПР группы. В работе был предложен подход к выбору траекторий движения ПР-ведомых внутри строя и метод формирования желаемого положения ПР-ведомых в процессе их движения. Эффективность предложенного метода подтверждена результатами математического моделирования.

The new path planning method for AUV group moved in the " leader-followers" mode in a desired formation in an unknown environment with obstacles is proposed in paper. In this case one AUV plays role of AUV-leader, which has information about the mission and plans a safe trajectory of its movement, depending on its purpose and detected obstacles. AUV-followers must move behind the leader, in accordance with their assigned place in formation, using information about the current position of the leader, received via acoustic communication channels, and information about their distances to obstacles, detected by their onboard rangefinders. Due to the low bandwidth of acoustic communication channels, there is a problem of matching the position of the AUV-followers during obstacles avoidance. It is necessary to avoid collisions between AUV of group. This problem is solved by means of the preliminary forming for each follower of the only possible trajectory of movement inside formation which will provide it safe movement relatively other followers when this AUVfollower moves around detected obstacle. This approach allows do not coordinate the current position of the AUV-followers relative to other AUV of group if a high-precision control system is used, and as a result it does not require additional data exchange between the AUV group. In this paper, an approach to the forming of AUV-follower trajectories inside AUV formation and the method of forming the desired position of the AUV-followers on these trajectories are proposed. The effectiveness of the proposed method is confirmed by the results of mathematical modeling.

подводный роботгрупповое управлениестроевое правлениепланирование траекторийобход препятствийunderwater robotcooperative controlformation controlpath planningobstacle avoidanceunknown environmentРабота поддержана РФФИ (гранты 16-29-04195 и 19-08-00347) и Программой фундаментальных научных исследований по приоритетным направлениям, определяемым Президиумом Российской академии наук, № 7 "Новые разработки в перспективных направлениях энергетики, механики и робототехники".This work was supported by Russian Foundation for Basic Researches (grants No 16-29-04195 and 19-08-00347) and Program of Presidium RAS No 1.7 " New Developments in Perspective Areas of Energetics, Mechanics and Robotics".ReferencesLiu Y., Bucknall R. A survey of formation control and motion planning of multiple unmanned vehicles, Robotica, 2018, pp. 1—29.Liu Y., Bucknall R. A survey of formation control and motion planning of multiple unmanned vehicles, Robotica, 2018, pp. 1—29.Spensieri D., Carlson J. S., Ekstedt F., Bohlin R. An Iterative Approach for Collision Free Routing and Scheduling in Multirobot Stations, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2015, vol. 13, no. 2, pp. 950—962.Spensieri D., Carlson J. S., Ekstedt F., Bohlin R. An Iterative Approach for Collision Free Routing and Scheduling in Multirobot Stations, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2015, vol. 13, no. 2, pp. 950—962.Langerwisch M., Wagner B. Dynamic path planning for coordinated motion of multiple mobile robots, Proc. of the 14th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), Washington, DC, 2011, pp. 1989—1994.Langerwisch M., Wagner B. Dynamic path planning for coordinated motion of multiple mobile robots, Proc. of the 14th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), Washington, DC, 2011, pp. 1989—1994.Shahriari M., Biglarbegian M. A New Conflict Resolution Method for Multiple Mobile Robots in Cluttered Environments With Motion-Liveness, IEEE Transactions on Cybernetics, 2018, vol. 48, no. 1, pp. 300—311.Shahriari M., Biglarbegian M. A New Conflict Resolution Method for Multiple Mobile Robots in Cluttered Environments With Motion-Liveness, IEEE Transactions on Cybernetics, 2018, vol. 48, no. 1, pp. 300—311.Lu M., Zou Y., Li S. Multi-agent formation control with obstacle avoidance based on receding horizon strategy, Proc. of the 2019 IEEE 15th International Conference on Control and Automation (ICCA), Edinburgh, United Kingdom, 2019, pp. 1361—1366.Lu M., Zou Y., Li S. Multi-agent formation control with obstacle avoidance based on receding horizon strategy, Proc. of the 2019 IEEE 15th International Conference on Control and Automation (ICCA), Edinburgh, United Kingdom, 2019, pp. 1361—1366.Vo C., Harrison J. F., Lien J. Behavior-based motion planning for group control, Proc. of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, St. Louis, MO, 2009, pp. 3768—3773.Vo C., Harrison J. F., Lien J. Behavior-based motion planning for group control, Proc. of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, St. Louis, MO, 2009, pp. 3768—3773.Yong L., Yu L., Yipei G., Kejie C. Cooperative path planning of robot swarm based on ACO, Proc of the IEEE 2nd Information Technology, Networking, Electronic and Automation Control Conference (ITNEC), Chengdu, 2017, pp. 1428—1432.Yong L., Yu L., Yipei G., Kejie C. Cooperative path planning of robot swarm based on ACO, Proc of the IEEE 2nd Information Technology, Networking, Electronic and Automation Control Conference (ITNEC), Chengdu, 2017, pp. 1428—1432.Liu S., Sun D., Zhu C. Coordinated Motion Planning for Multiple Mobile Robots Along Designed Paths with Formation Requirement, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2011, vol. 16, no. 6, pp. 1021—1031.Liu S., Sun D., Zhu C. Coordinated Motion Planning for Multiple Mobile Robots Along Designed Paths with Formation Requirement, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2011, vol. 16, no. 6, pp. 1021—1031.Зенкевич С. Л., Галустян Н. К. Децентрализованное управление группой квадрокоптеров, Мехатроника, автоматизация, управление, 2016, т. 17, № 11, c. 774—782.Zenkevitch S. L., Galustyan N. K. Decentralized Control of a Quadrocopter Swarm, Mekhatronika, Avtomatizatsia, Upravlenie, 2016, vol, 17, no. 11, pp. 774—782 (in Russian).Reyes L. A., Tanner H. G. Flocking, Formation Control, and Path Following for a Group of Mobile Robots, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2015, vol. 23, no. 4, pp. 1268—1282.Reyes L. A., Tanner H. G. Flocking, Formation Control, and Path Following for a Group of Mobile Robots, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2015, vol. 23, no. 4, pp. 1268—1282.Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А. Метод формирования гладких траекторий движения мобильных роботов в неизвестном заранее окружении, Известия РАН. Теория и системы управления, 2017, № 4, c. 174—184.Filaretov V., Yukhimets D. Planning smooth paths for mobile robots in an unknown environment, Int. Journal of Computer and Systems Sciences, 2017, vol. 56, no. 4, pp. 738—748 (in Russian).Filaretov V., Yukhimets D. The method of formation of auv smooth trajectory in unknown environment, Proc. Of Int. Conf. OCEANS’2016, Shanghai, Chaina, 2016, pp. 1—8.Filaretov V., Yukhimets D. The method of formation of auv smooth trajectory in unknown environment, Proc. Of Int. Conf. OCEANS’2016, Shanghai, Chaina, 2016, pp. 1—8.Юхимец Д. А., Губанков А. С., Зуев А. В. Метод формирования пространственных траекторий мобильного робота в неизвестной обстановке, Робототехника и техническая кибернетика, 2018, т. 19, № 2, с. 46—51.Yukhimets D. A., Gubankov F. S., Zuev A. V. The Method of Path Planning of Spatial Trajectories of Mobile Robot in Unknown Environment, Robototekhnika i Tekhnitcheskaya Kibernetika, 2018, vol. 19, no. 2, pp. 46—51 (in Russian).Yukhimets D., Zuev A., Gubankov A. Method of spatial path planning for mobile robot in unknown environment, Proc. of the 28th DAAAM International Symposium. Zadar, Croatia, 2017, pp. 258—266.Yukhimets D., Zuev A., Gubankov A. Method of spatial path planning for mobile robot in unknown environment, Proc. of the 28th DAAAM International Symposium. Zadar, Croatia, 2017, pp. 258—266.Корн Т., Корн Г. Справочник по математике, М.: Наука, 1973.Korn T., Korn G. Mathematic handbook, Moskow: Nauka, 1973 (in Russian).Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов, М.: Мир, 1978, 848 с.Rabliner L., Goud B. Theory and Application of Digital Signal Processing, Moskow, Mir, 1978, 848 p (in Russian).http://www.coppeliarobotics.com/ — среда трехмерного моделирования робототехнических системV-REP.Available at: http://www.coppeliarobotics.com/Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А. Особенности синтеза высокоточных систем управления скоростным движением и стабилизацией подводных аппаратов в пространстве / Под. ред. В. Ф. Филаретова, Владивосток: Дальнаука, 2016, 400 с.Filaretov V. F., Yukhimets D. A. Features of Synthesis of High-Accuracy Control System of Movement and Spatial Stabilization of Underwater Vehicles, Vladivostok, Dalnauka, 2016, 400 p. (in Russian).Filaretov V. F., Yukhimets D. A. The new strategy of designing tracking control systems for dynamical objects with variable parameters, Мехатроника, автоматизация, управление, 2018, т. 19, № 7, с. 435—442.Filaretov V. F., Yukhimets D. A. The new strategy of designing tracking control systems for dynamical objects with variable parameters, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2018, vol. 19, no. 7, pp. 435—442.Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А., Щербатюк А. Ф., Мурсалимов Э. Ш., Туфанов И. Е. Новый метод контурного управления АНПА, Мехатроника, автоматизация, управление, 2014, № 8, с. 46—56.Filaretov V. F., Yukhimets D. A., ScherbatyukA. F., Mursalimov E. Sh., Tuphanov I. E. The Method of Tracking Control of Autonoous Unmanned Underwater Vehicle Motion, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2014, no. 8, pp. 46—56 (in Russian).

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