Терминальное управление безэкипажным катером в среде с подвижными препятствиями

В данной работе основным предметом исследования является система управления движением безэкипажного катера в неопределенной среде со стационарными и подвижными препятствиями. Актуальность разработки такой системы обусловлена тем, что безэкипажные катера функционируют вблизи портов, судоходных фарватеров и в других местах с плотным движением других судов. При этом из-за отсутствия экипажа нет возможности согласовывать движение с другими судами, поэтому система управления такого безэкипажного катера должна прокладывать маршрут, учитывая требования к своему положению в каждый момент времени.
В связи с этим в статье предложена процедура разработки терминального закона управления на основе программируемой траектории движения катера в полиномиальной форме, на основе которой реализованы позиционно-траекторные алгоритмы управления. При этом программная траектория строится как решение задачи терминального управления в сильной постановке, а позиционно-траекторный регулятор отрабатывает полученную траекторию в рамках слабого терминального управления. Для учета препятствий при планировании траектории используется гибридный метод, основанный на виртуальных полях и неустойчивых режимах движения с учетом скоростей и условий движения безэкипажного катера. В работе приводятся результаты численных и натурных экспериментов по апробации разработанных методов и алгоритмов. Получены оценки энергозатрат на управление, длины траектории и показателя безопасности при обходе препятствий.
Новизна предлагаемого подхода заключается в использовании нового метода построения локальной траектории движения в поле с препятствиями и в гибридизации методов планирования траекторий. Такой подход позволяет обеспечить заданную безопасную дистанцию при обходе препятствий и практически исключить вероятность аварийного столкновения. Представленные результаты могут быть использованы в системах автономного управления движением катеров и позволяют безопасно обходить стационарные и динамические препятствия.

1. Hervas J. R., Reyhanoglu M., Hui Tang. Automatic landing control of Unmanned Aerial Vehicles on moving platforms, 2014 IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), Istanbul, 2014, pp. 69—74, doi: 10.1109/ISIE.2014.6864588.

2. Suvorov A. N., Kuzmenkova L. A. Driving Tesla — to the future, Scientific and methodical electronic journal "Concept", 2015, vol. 25, pp. 1—5, available at: http://e-koncept.ru/2015/65303.htm.

3. Erokhin A. V., Erokhin V. I. Methods and models of group self-control by the movement of a team of robots with simultaneous localization and construction of an obstacle map from data of scanning devices, Izvestiya SPbSTU, 2014, no. 27, pp. 88—100.

4. Dongshu W., Haitao W., Lei L. Unknown environment exploration of multi-robot system with the FORDPSO, Swarm and Evolutionary Computation, 2015.

5. Garrido S., Moreno L., Blanco D., Jurewicz P. Path planning for mobile robot navigation using Voronoi diagram and fast marching, International Journal of Robotics and Automation, 2011, vol. 2, iss. 1, pp. 42—64.

6. Mulyukha V. A., Guk M. Yu., Zaborovsky V. S. The system of supervisor network-centric management of robotic objects, Robotics and Technical Cybernetics, 2016, no. 3 (12), pp. 405—410.

7. Varlashin V. V., Ershova M. A., Bunyakov V. A., Shmakov O. U. Real-Time Surround-View System for Mobile Robotic System, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2019, vol. 20, no. 3, pp. 162—170 (in Russian), https://doi.org/10.17587/mau.20.162-170.

8. Pavlovsky V., Panchenko A., Orlov I. Control Algorithm for Walking Robot with Mosaic Body, Proc. of the Intern. Conf. on Climbing and Walking Robots, Hangzhou, China, September 6—9, 2015, pp. 265—271.

9. Filaretov V. F., Yukhimets D. A. The Path Planning Method for AUV Group Moving in Environment with Obstacles, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2020, vol. 21, no. 6, pp. 356—365 (in Russian), https://doi.org/10.17587/mau.21.356-365.

10. Pshikhopov V., Medvedev M., Gaiduk A., Belyaev V., Fedorenko R., Krukhmalev V. Position-trajectory control system for robot on base of airship, Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control, 2013, pp. 3590—3595.

11. Finaev V., Kobersy I., Kosenko E., Solovyev V., Zargaryan Y. Hybrid algorithm for the control of technical objects, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2015, no. 6, pp. 2335—2339.

12. Benbouabdallah K., Qi-dan Z. A Fuzzy Logic Behavior Controller for a Mobile Robot Path Planning in Multi-obstacles Environment, Research J. of Applied Sciences, Engineering and Technology, 2013, vol. 5(14), pp. 3835—3842.

13. Gaiduk A. R., Martjanov O. V., Medvedev M. Yu., Pshikhopov V. K., Hamdan N., Farhood A. Neural Network Based Control System for Robots Group Operating in 2-d Uncertain Environment, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2020, vol. 21, no. 8, pp. 470—479, https://doi.org/10.17587/mau.21.470-479

14. Al-Jarrah R., Shahzad A., Roth H. Path Planning and Motion Coordination for Multi-Robots System Using Probabilistic Neuro-Fuzzy, IFAC-PapersOnLine, 2015, vol. 48, no. 10, pp. 46—51.

15. Nazarahari M., Khanmirza E., Doostie S. Multi-objective multi-robot path planning in continuous environment using an enhanced genetic algorithm, Expert Systems with Applications, 2019, vol. 115, pp. 106—120.

16. Benaziza W., Slimane N., Mallem A. Mobile Robot Trajectory Tracking Using Terminal Sliding Mode Control, Proceedings of the 6th International Conference on Systems and Control, University of Batna 2, Batna, Algeria, May 7—9, 2017.

17. Yiguang Hong, Guowu Yang, Daizhan Cheng, Sarah Spurgeo. A New Approach To Terminal Sliding Mode Control Design, Asian Journal of Control, June 2005, vol. 7, iss. 2, pp. 177—181.

18. Defeng He. Dual-mode Nonlinear MPC via Terminal Control Laws With Free-parameters, IEEE/CAA Journal Of Automatica Sinica, july 2017, vol. 4, no. 3, pp. 526—533.

19. Zuber I. E. Terminal output control for nonlinear nonstationary discrete systems, Differential Equations and Control Processes, 2004, no. 2.

20. Rasekhipour Y., Khajepour A., Chen S.-K., Litkouhi B. A Potential Field-Based Model Predictive Path-Planning Controller for Autonomous Road Vehicles, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2017, vol. 18, no. 5, pp. 1255—1267.

21. Belogalzov D., Finaev V., Medvedev M., Shapovalov I., Soloviev V. Decentralized Control of a Group of Robots Using Fuzzy Logic, Journal of Engineering and Applied Sciences, 2017, vol. 12, no. 9, pp. 2492—2498.

22. Pshikhopov V., Medvedev M. Motion Planning and Control Using Bionic Approaches Based on Unstable Modes, Path Planning for Vehicles Operating in Uncertain 2D Environments, 2017, pp. 239—280.

23. Pshikhopov V. K., Medvedev M. Y., Fedorenko R. V., Gurenko B. V. Decentralized control algorithms of a group of vehicles in 2D space, Proc. SPIE 10253, 2016 International Conference on Robotics and Machine Vision, 2017, doi: 10.1117/12.2266499.

24. Pshikhopov V., Medvedev M. Group control of autonomous robots motion in uncertain environment via unstable modes, SPIIRAS Proceedings, 2018, vol. 60, no. 5, pp. 39—63.

25. Gurenko B., Fedorenko R., Shevchenko V. Research of autonomous surface vehicle control system, 2016 ACM International Conference Proceeding Series. 4TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON CONTROL, MECHATRONICS AND AUTOMATION, ICCMA 2016, Barcelona, December, 07-11, 2016, pp. 131—135.

26. Barbashin Е. A. Lyapunov Functions, Publisher Librokom, 2012.

27. Londhe P. S., Dhadekar D. D., Patre B. M., Waghmare L. M. Non-singular terminal sliding mode control for robust trajectory tracking control of an autonomous underwater vehicle, 2017 Indian Control Conference (ICC), 2017, pp. 443—449.

28. Li B., Xu Y., Liu Ch., Fan Sh., Xu W. Terminal navigation and control for docking an underactuated autonomous underwater vehicle, IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation Control and Intelligent Systems, 2015, pp. 25—30.

29. Khatib O. Real-Time Obstacles Avoidance for Manipulators and Mobile Robots, Int. Journal of Robotics Research, 1986, vol. 5, no. 1, pp. 90—98.

30. Platonov A. K., Kirilchenko A. A., Kolganov M. A. Method of potentials in the problem of routing: history and prospects, Moscow, KIAM after M. V. Keldysh, 2001, 32 p. (in Russian).

31. Nooraliei A., Mostafa S. Robot Path Planning Using Wave Expansion Approach Virtual Target,2009 International Conference on Computer Technology and Development 1, 2009, pp. 169—172.