Алгоритмизация управления мобильным колесным роботом в среде с препятствиями методом потенциальных полей

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.

1. Филимонов 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.

2. Лю В. Методы планирования пути в среде с препятствиями (обзор) // Математика и математическое моделирование. 2018. № 1. С. 15—58. DOI:10.24108/mathm.0118.0000098

3. Patle 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.2019.04.011

4. Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б. Конструктивные аспекты метода потенциальных полей в мобильной робототехнике // Автометрия. 2021. Т. 57, № 4. С. 45—53. DOI: 10.15372/AUT20210406

5. Khatib 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.1985.1087247

6. Борисов 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.

7. Beghin M. H. Étude théorique des compas gyrostatiques Anschutz et Sperry, Théses de léntre-deux-guerres. Vol. 34. Paris: Impr. nationale, 1922.

8. Appell P. Traité de mécanique rationnelle, Vol. 2: Dynamique des systémes. Mecanique analytique. Paris: Gauthier-Villars, 1932.

9. Азизов А. Г. К динамике систем, стесненных сервосвязями // Науч. тр. ТашГУ. 1971. С. 3—9.

10. Киргетов В. И. О движении управляемых механических систем с условными связями (сервосвязями) // Прикладная математика и механика. 1967. Т. 31, № 3. С. 433—446.

11. Козлов В. В. Принципы динамики и сервосвязи // Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика. 1989. № 5. С. 59—66.

12. Козлов В. В. Динамика систем с сервосвязями: 1 // Нелинейная динамика. 2015. Т. 11, № 2. С. 353—376.

13. Татаринов Я. В. Уравнения классической механики в лаконичных формах. М.: Изд-во Центра прикладных исследований при механико-математическом факультете МГУ, 2005. 86 c.

14. 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.

15. Mikishanina 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.

16. Филимонов 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.

17. Филимонов 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/AUT20190407

18. Белоглазов 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.

19. 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.

20. Герасимов В. Н. Система управления движением мобильного робота в среде с динамическими препятствиями // Информатика, телекоммуникации и управление. 2013. № 5(181). С. 94—102.

21. 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.2017.2705034