МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ ПЕРЕСЛАВЛЯ-ЗАЛЕССКОГО
Молодые учёные из Института программных систем им. А.К. Айламазяна Российской академии наук (ИПС им. А.К. Айламазяна РАН, г. Переславль-Залесский) работают над развитием теории систем управления робототехнических аппаратов, способных решать задачи сложного траекторного движения в автономном режиме. Создаваемые основы геометрического и интеллектуального управления используются для планирования оптимальных маршрутов, создания систем технического зрения и распознавания образов. Исследования поддержаны грантами Российского научного фонда (РНФ).
В лаборатории интеллектуального управления Исследовательского центра мультипроцессорных систем в рамках проекта РНФ 21-71-10056 «Создание моделей и методов интеллектуально-геометрического управления робототехническими системами в недетерминированной среде на основе обработки многомодальной слабоструктурированной информации, представления и автоматического пополнения знаний бортовых решателей» (научный руководитель к.ф-м.н. Хачумов М.В.) создаётся новая интегрированная теория управления. Создаваемая теория объединяет точные методы геометрического и классического автоматического управления с методами интеллектуального управления, которые хорошо работают в условиях различных возмущений и неопределённостей. Коллективом получены новые теоретические и практические результаты: в области управления динамическими объектами и искусственного интеллекта.
Разработаны и исследованы методы мониторинга и слежения, в том числе: методы улучшения качества наблюдаемых изображений, высокоточного наведения видеокамеры на цели и распознавания на основе пирамид видимости и обобщённой метрики Евклида-Махаланобиса. Разработан графический интерфейс БПЛА для работы с мультимодальными данными (пультовые, жестовые и речевые команды), что обеспечивает надёжность управления при выполнении миссии в сложных условиях, например, при мониторинге лесных пожаров. Архитектура системы управления БПЛА с интеллектуальным интерфейсом представлена на рисунке 1.
Интерфейс содержит базу знаний и опирается на общность методов обработки мультимодальной информации. Его основу составляет интеллектуальный решатель, который распознаёт команды и преобразователь, преобразующий различные форматы к внутреннему представлению данных решателя. В базу знаний, сопряжённую с базой данных, заносятся все классифицированные экспертами прецеденты, включая речевые команды и эталонные жесты. Потоки входных управляющих команд первоначально обрабатываются наземной станцией, после чего преобразуются в понятные для БПЛА команды. Команды пересылаются через смартфон и пульт в контроллер квадрокоптера.
Наличие мультимодального ввода информации (пульт, речевые и жестовые команды) расширяет возможности БПЛА, позволяя в случае необходимости передавать управление другому лицу, находящемуся в критической целевой точке (например, при передаче необходимых средств спасения). Предложены подходы к самообучению и планированию целенаправленного поведения интеллектуальных БПЛА, основанному на знаниях, при решении сложных задач в априори неописанных динамических средах с применением активных и пассивных нечётких семантических сетей.
Безопасность выполнения миссии в сложных условиях (стационарные и подвижные препятствия, опасные зоны, потеря связи, воздействия воздушной среды) обеспечивается специальным математическим и программным обеспечением.
Разработаны методы и алгоритмы решения практических задач робототехническими системами в изменяющихся условиях функционирования. В том числе: алгоритмы планирования и реализации траекторного движения в задачах облёта целей с препятствиями, метод безопасного формирования строя и перехода группы летательных аппаратов из одной заданной формации в другую в условиях воздушных возмущений. Алгоритмы позволяют решать сложные полётные задания группой автономных БПЛА в условиях городской инфраструктуры. Для отработки команд и тестирования полётов БПЛА разработана моделирующая среда (симулятор), позволяющая отрабатывать команды и движение в город. Система отображения траектории настроена так, что, по мере перемещения от старта до финальной точки маршрута, отрезки траектории меняют цвет - от синего до красного соответственно. Проводимые исследования направлены на улучшение характеристик управления робототехнических систем за счёт повышения их автономности и надёжности.
В Исследовательском центре процессов управления ИПС им. А.К. Айламазяна РАН проводятся исследования в области математической теории управления и её приложениях. Молодые научные сотрудники этого центра в рамках проекта РНФ 22-21-00877 «Геометрические методы исследования несимметричных управляемых систем» (научный руководитель к.т.н. Ардентов А.А.) организовали малый коллектив, нацеленный на исследование важного класса задач оптимального управления (на группах Ли), у которых динамика с неголономными связями (с ограничениями на скорости, не интегрируемыми в ограничения на координаты) инвариантна относительно левых сдвигов, нелинейна по состоянию и несимметрична (т. е. множество допустимых скоростей не является центрально симметричным относительно начала координат).
Геометрическая теория управления, развиваемая в ИПС им. А.К. Айламазяна РАН под общим руководством д.ф.-м.н. Сачкова Ю.Л., является относительно новым на правлением в математической теории управления. Она использует методы дифференциальной геометрии, теории групп и алгебр Ли для исследования управляемых систем и по праву считается продолжением достижений отечественной математики.
Задачи на группах Ли образуют важный класс задач с большой группой симметрий, естественно возникающий в геометрической теории управления и её приложениях в классической и квантовой механике, робототехнике, обработке изображений, теории вероятностей. В проекте исследуются различные модели оптимального управления колёсным роботом, которому запрещено двигаться назад.
На рисунке 3 слева приведён пример решения задачи оптимального управления колёсным роботом на сфере с несимметричным (относительно начала координат) множеством скоростей, изображённым на рисунке 3 справа. Помимо очевидного интереса для теории управления и актуальности в робототехнике оптимальные траектории, возникающие в рассматриваемых задачах, используются также и для поиска выделяющихся кривых на изображениях, а именно в анализе медицинских изображений при поиске сосудов на фото сетчатки глаза.
На рисунке 4 зелёным цветом изображена линия сосуда, корректно выявленная с помощью соответствующей оптимальной траектории робота, соединяющей жёлтые вектора, закреплённые на сфере (которая аппроксимирует поверхность сетчатки глаза). Изменения сосудистой сети сетчатки (кривизны сосудов, их толщины, угла бифуркации) являются индикаторами многих заболеваний, таких как сахарный диабет, атеросклероз, глаукома и др. Анализ фото сетчатки предоставляет лёгкий неинвазивный способ диагностики этих расстройств. Отдельное направление использования рассматриваемых оптимальных траекторий связано с (естественным для человеческого глаза) восстановлением повреждённых изображений. Разработаны новые геометрические методы исследования несимметричных управляемых систем и связанных с ними задач быстродействия и медленно действия на трёхмерных группах с двумерным управлением и на свободных группах Карно произвольной размерности. Для решения каждой конкретной задачи потребовалось создание и развитие тонких методов геометрической теории управления. На несимметричный случай перенесены некоторые свойства и методы исследования симметричных систем, в том числе принцип максимума Понтрягина и условия оптимальности. Изучен ряд важных свойств, требующих нетривиального анализа в несимметричном случае: управляемость, описание множества достижимости, существование оптимальных управлений в случае некомпактного множества управляющих параметров, построение оптимального синтеза в случае отсутствия глобальной управляемости. Результаты исследований могут применяться для управления сложным движением колёсного многозвенного робота с дифференциальным приводом, который перемещается по некоторой (возможно неплоской) поверхности.
В частности, в ближайшем будущем будут созданы системы управления различных роботов, которые смогут работать автономно в условиях дефицита обратной связи. В результате проект создаёт серьёзный задел для дальнейших, более широких работ в геометрической теории управления и её приложениях, закрепляя лидирующие позиции российской школы.