Чжай Мэйсинь. Многоагентная робототехническая система спасения при землетрясениях

brief description

Чжай Мэйсинь. Многоагентная робототехническая система спасения при землетрясениях: автореферат дис. ... кандидата Технических наук: 05.02.05 / Чжай Мэйсинь;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»], 2020

Московский Государственный Технический Университет
имени Н. Э. Баумана (Национальный исследовательский университет)
На правах рукописи
Чжай Мэйсинь
МНОГОАГЕНТНАЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СПАСЕНИЯ ПРИ
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ
Специальность 05.02.05 — Роботы, мехатроника и робототехнические системы
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Назарова Анаид Вартановна
Москва - 2019 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1.АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ И ЗАДАЧ СПАСЕНИЯ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОАГЕНТНОЙ РАБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 12
1.1. Существующие проблемы и задачи 12
1.1.1. Общее описание катастрофы 12
1.1.2. Применение агентов-роботов при проведении поисково¬спасательных работ 19
1.1.3. Основные задачи и требования к спасению при землетрясениях 23
1.2. Выполнение спасательных операций с помощью многоагентной
робототехнической системы 24
1.2.1. Существующие методы и алгоритмы поиска и обнаружения целей 24
1.2.2. Существующие методы и алгоритмы распределения задач 27
1.2.3. Структура МРТС 32
1.3. Постановка задачи 36
Выводы по первой главе 36
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ СПАСАТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ 37
2.1. Последовательность задач, решаемых МРТС и формирование
спасательной команды 37
2.1.1. Анализ чрезвычайной ситуации 38
2.1.2. Планирование процесса поисково- спасательных операций во
времени 41
2.1.3. Формирование состава спасательной команды роботов 44
2.2. Структура МРТС и управляющий центр 47
2.2.1. Структура МРТС 48
2.2.2. Система обработки информации в МРТС 50
2.2.3. Система формирования команд в МРТС 51
2.2.4. Механизм координации в МРТС 53
Стр.
2.3. Коммуникация между агентами 55
2.3.1. Глобальная коммуникация между агентами 57
2.3.2. Локальная коммуникация между агентами 59
Выводы по второй главе 63
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОИСКОВЫХ ОПЕРАЦИЙ МЕТОДАМИ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ 65
3.1. Датчики обнаружения выживших под завалами 65
3.1.1. Инфракрасные излучатели 66
3.1.2. Акустическое и видео-частотное зондирование 67
3.1.3. Радиолокационное зондирование 67
3.1.4. Сравнение и использование различных приборов для обнаружения
пострадавших 68
3.2. Исследование процессов поиска с использованием аппарата теории
вероятности 71
3.2.1. Вероятностные модели поиска 73
3.2.2. Моделирование процессов поиска одноагентной системой 84
3.3. Построение групповой модели поиска 86
3.3.1. Группа агентов выполняет поисковую задачу без
кооперирований 87
Выводы по третьей главе 96
ГЛАВА 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАЧ В МНОГОАГЕНТНОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ 98
4.1. Постановка задачи 98
4.2. Централизованное распределение в МРТС 99
4.2.1. Распределение задач между агентами: алгоритм роя частиц 100
4.2.2. Распределение задач между агентами: генетический алгоритм 108
4.2.3. Сравнительный анализ централизованных алгоритмов
распределения задач 113
4.3. Децентрализованное распределение задач в МРТС 115
4.3.1. Распределение задач между агентами: алгоритм аукциона 116
4.3.2. Распределение задач между агентами: теория игр 119
Стр.
4.3.3. Сравнительный анализ децентрализованных методов
распределения задач 122
Выводы по четвертой главе 123
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МРТС 124
5.1. Моделирование МРТС в среде ROS 124
5.1.1. Планирование траектории в среде ROS 125
5.1.2. Результаты моделирования в среде ROS 132
5.2. Моделирование МРТС в среде V-rep 136
5.2.1. Алгоритмы, использующиеся в процессе моделирования в среде
V-rep 137
5.2.2. Результаты моделирования в среде V-rep 138
Выводы по пятой главе 141
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 143
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144

bibliography

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В ходе работы над диссертацией были получены следующие основные
результаты:
1. Предложен подход к формированию последовательности процесса спасения при землетрясениях и выбран принцип построения МРТС с учетом существующих методов решения проблем группового управления роботами. Разработаны рекомендации для практического применения МРТС в ситуациях, опасных для жизни и здоровья человека.
2. При выполнения поисковой задачи группой агентов предложено разбивать рабочую зону на отдельные участки в соответствии с числом имеющихся дронов. При разбиении поискового района необходимо обеспечить одинаковые или не сильно отличающиеся вероятности нахождения цели в каждом подрайоне. При обнаружении цели дроны должны начинать поисковую операцию в точке (или в ячейке) с большей вероятностью нахождения цели. Управление дронами (распределение времени обследования каждой ячейки) необходимо выполнять с использованием метода множителей Лагранжа или динамического программирования для того, чтобы вероятность обнаружения цели была выше.
3. При глобальном централизованном распределении задач алгоритм роя частиц быстрее сходится к лучшему решению по сравнению с генетическим алгоритмом. Кроме того, при одинаковом времени алгоритм роя частиц дает лучшее решение (меньшие затраты).
4. При локальном децентрализованном распределении задач для получения оптимального решения целесообразно использовать теорию игр. При большом количестве задач (больше 5) предлагается применять алгоритм аукциона.
5. Проведено компьютерное моделирование в средах ROS и V-rep, подтвердившие эффективность предложенных методов и алгоритмов, а также проведено имитационное моделирование процесса обнаружения и спасения при землетрясениях.