mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2024-12-1-7-14mireabulletin-822Research ArticleРОБОТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ. ТЕХНОЛОГИИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯMULTIPLE ROBOTS (ROBOTIC CENTERS) AND SYSTEMS. REMOTE SENSING AND NON-DESTRUCTIVE TESTINGАвтоматизация стыковки автономных мобильных роботов на основе развития метода поисковых случайных деревьев со встречным ростомAutomation of autonomous mobile robot docking based on the counter growth rapidly exploring random tree methodhttps://orcid.org/0009-0007-9227-6184ГолубовВ. В.GolubovV. V.

Голубов Владимир Васильевич - аспирант, кафедра проблем управления Института искусственного интеллекта.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Vladimir V. Golubov - Postgraduate Student, Department of Problems Control, Institute of Artificial Intelligence.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

golubov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6297-8894МанькоС. В.MankoS. V.

Манько Сергей Викторович - д.т.н., профессор, кафедра проблем управления Института искусственного интеллекта. Лауреат премии Правительства Российской Федерации в области образования, Член научного Совета по робототехнике и мехатронике Российской академии наук. Scopus Author ID 55761014700.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Sergey V. Manko, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Problems Control, Institute of Artificial Intelligence, Laureate of the Government Prize of the Russian Federation in the field of education, Member of the Scientific Council on Robotics and Mechatronics of the Russian Academy of Sciences. Scopus Author ID 55761014700.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

manko@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation202401022024121714Copyright © Голубов В.В., Манько С.В., 20242024Голубов В.В., Манько С.В.Golubov V.V., Manko S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/822Цели

Цели. В статье обоснована актуальность задачи автоматической стыковки автономных мобильных роботов. На конкретных примерах показано, что реализация функций автоматической стыковки автономных роботов открывает перспективы создания многоагентных систем с трансформируемой структурой. Целью работы является разработка средств автоматической стыковки автономных мобильных роботов, функционирующих в условиях сложных сцен и неопределенности окружающей обстановки.

Методы

Методы. Предлагаемый подход к автоматизации стыковки автономных мобильных роботов сводится к модификации метода поисковых случайных деревьев со встречным ростом на основе параллельного выполнения децентрализованного алгоритма планирования маршрутов с взаимной координацией процессов распределенных вычислений. Оценка эффективности разработанного комплекса алгоритмических и программных средств осуществлялась с помощью методов компьютерного и натурного моделирования. Заключительная серия натурных экспериментов проводилась на примере автоматической стыковки автономных робототехнических платформ «JetBot AI kit Nvidia», выполняемой с привлечением средств и методов интеллектуального управления, визуальной навигации, технического зрения и беспроводной сетевой связи.

Результаты

Результаты. Проведен анализ особенностей автоматической стыковки, как одной из задач группового управления автономными роботами в составе многоагентных систем, способных реконфигурировать свою структуру для целенаправленного изменения имеющегося набора функциональных свойств и возможностей прикладного применения. Предложена децентрализованная модификация метода поисковых случайных деревьев со встречным ростом, позволяющая обеспечить планирование перемещений автономных мобиль ных роботов по ходу их взаимного сближения и последующей стыковки. Разработан комплекс программноалгоритмических средств автоматизации стыковки автономных роботов. Проведены серии модельных и натурных экспериментов, подтвердивших эффективность развиваемого подхода.

Выводы

Выводы. Представленная модификация метода поисковых случайных деревьев со встречным ростом, традиционно применяемого для планирования перемещений манипуляторов и подвижных платформ, дополняет состав решаемых им задач, позволяя обеспечить автоматизацию стыковки автономных роботов. Полученные результаты открывают перспективы создания универсальных планировщиков с расширенным функционалом для систем управления автономными роботами.

Objectives

Objectives. The article substantiates the relevance of automatic docking of autonomous mobile robots. Specific examples show that the implementation of the automatic docking functions of autonomous robots reveals the potential for creating multi-agent systems with a transformable structure. The aim of the work is to develop means for automatic docking of autonomous mobile robots in complex scenarios and an uncertain environment.

Methods

Methods. The proposed approach to automating autonomous mobile robot docking is reduced to a modification of the counter-growth rapidly-exploring random tree (RRT) method. It is based on the parallel execution of a decentralized route planning algorithm with mutual coordination of distributed computing processes. The effectiveness of the complex of algorithmic and software tools developed was evaluated using computer and natural simulation methods. The final series of full-scale experiments was carried out on the example of JetBot AI kit Nvidia platforms for automatic docking of autonomous robots. This was performed using the means and methods of intelligent control, visual navigation, technical vision and wireless network communication.

Results

Results. The study analyzed the features of automatic docking as one of the tasks of group control of autonomous robots. This is part of multi-agent systems, capable of reconfiguring structures for purposeful changes to the existing set of functional properties and application possibilities. The study also proposes a decentralized modification of the counter-growth RRT method. This allows the movements of autonomous mobile robots in the course of their mutual approach and subsequent docking to be planned. A set of software-algorithmic tools was developed to automate the docking of autonomous robots. A series of model and full-scale experiments were carried out to confirm the effectiveness of the approach developed herein.

Conclusions

Conclusions. The modification presented herein of the counter-growth RRT method, traditionally used for planning the movements of manipulators and mobile platforms, is complementary to the tasks it resolves. This enables the docking of autonomous robots to be automated. The results obtained open up the potential for universal schedulers with extended functionality for autonomous robot control systems to be designed.

автономный роботинтеллектуальное управлениегрупповое управлениемногоагентная робототехническая системаавтоматическая стыковкаметод поисковых случайных деревьев со встречным ростомautonomous robotintelligent controlgroup controlmulti-agent robotic systemautomatic dockingcounter-growth RRT methodАвторы не имеют финансовой заинтересованности в представленных материалах или методахThe authors have no a financial or property interest in any material or method mentionedReferencesWang Y., Shan M., Yue Y., Wang D. Autonomous Target Docking of Nonholonomic Mobile Robots Using Relative Pose Measurements. IEEE Trans. Ind. Electron. 2021;68(8):7233–7243. https://doi.org/10.1109/TIE.2020.3001805Wang Y., Shan M., Yue Y., Wang D. Autonomous Target Docking of Nonholonomic Mobile Robots Using Relative Pose Measurements. IEEE Trans. Ind. Electron. 2021;68(8):7233–7243. https://doi.org/10.1109/TIE.2020.3001805Davey J., Kwok N., Yim M. Emulating self-reconfigurable robots – design of the SMORES system. In: 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2012. P. 4464–4469. https://doi.org/10.1109/IROS.2012.6385845Davey J., Kwok N., Yim M. Emulating self-reconfigurable robots – design of the SMORES system. In: 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2012. P. 4464–4469. https://doi.org/10.1109/IROS.2012.6385845Tosun T., Daudelin J., Jing G., Kress-Gazit H., Campbell M., Yim M. Perception-informed autonomous environment augmentation with modular robots. In: 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2018. P. 6818–6824. https://doi.org/10.1109/ICRA.2018.8463155Tosun T., Daudelin J., Jing G., Kress-Gazit H., Campbell M., Yim M. Perception-informed autonomous environment augmentation with modular robots. In: 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2018. P. 6818–6824. https://doi.org/10.1109/ICRA.2018.8463155Liu C., Lin Q., Kim H., Yim M. SMORES-EP, a Modular Robot with Parallel Self-assembly. arXiv preprint or arXiv:2014.00800v2. https://doi.org/10.48550/arXiv.2104.00800Liu C., Lin Q., Kim H., Yim M. SMORES-EP, a Modular Robot with Parallel Self-assembly. arXiv preprint or arXiv:2014.00800v2. https://doi.org/10.48550/arXiv.2104.00800Knizhnik G., Yim M. Docking and Undocking a Modular Underactuated Oscillating Swimming Robot. In: 2021 IEEE International Conferenceon Roboticsand Automation. 2021. P. 6754–6760. https://doi.org/10.1109/ICRA48506.2021.9562033Knizhnik G., Yim M. Docking and Undocking a Modular Underactuated Oscillating Swimming Robot. In: 2021 IEEE International Conferenceon Roboticsand Automation. 2021. P. 6754–6760. https://doi.org/10.1109/ICRA48506.2021.9562033Sohal S.S., Sebastian B., Ben-Tzvi P. Autonomous Docking of Hybrid-Wheeled Modular Robots with an Integrated Active Genderless Docking Mechanism. J. Mechanisms Robotics. 2021;14(1):011010. https://doi.org/10.1115/1.4051519Sohal S.S., Sebastian B., Ben-Tzvi P. Autonomous Docking of Hybrid-Wheeled Modular Robots with an Integrated Active Genderless Docking Mechanism. J. Mechanisms Robotics. 2021;14(1):011010. https://doi.org/10.1115/1.4051519LaValle S.M., Kuffner J. Rapidly-Exploring Random Trees: Progress and Prospects. In: Donald B., Lynch K., Rus D. (Eds.). Algorithmic and Computational Robotics. NY: CRC Press; 2001. P. 293–308. https://doi.org/10.1201/9781439864135LaValle S.M., Kuffner J. Rapidly-Exploring Random Trees: Progress and Prospects. In: Donald B., Lynch K., Rus D. (Eds.). Algorithmic and Computational Robotics. NY: CRC Press; 2001. P. 293–308. https://doi.org/10.1201/9781439864135Голубов В.В., Манько С.В. Особенности и перспективы применения метода поисковых случайных деревьев для планирования перемещений автономных роботов. Russ. Technol. J. 2023;11(6):16–27. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2023-11-6-16-27Golubov V.V., Manko S.V. Features and perspectives of application of the search random trees method for movement planning of autonomous robots. Russ. Technol. J. 2023;11(6):16–27 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2023-11-6-16-27Kuffner J., LaValle S.M. RRT-Connect: An Efficient Approach to Single-Query Path Planning. In: 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2000. P. 995–1001. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2000.844730Kuffner J., LaValle S.M. RRT-Connect: An Efficient Approach to Single-Query Path Planning. In: 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2000. P. 995–1001. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2000.844730Kang J.G., Lim D.W., Choi Y.S., Jang W.J., Jung J.W. Improved RRT-Connect Algorithm Based on Triangular Inequality for Robot Path Planning. Sensors. 2021;21(2):333. https://doi.org/10.3390/s21020333Kang J.G., Lim D.W., Choi Y.S., Jang W.J., Jung J.W. Improved RRT-Connect Algorithm Based on Triangular Inequality for Robot Path Planning. Sensors. 2021;21(2):333. https://doi.org/10.3390/s21020333Gravot F., Haneda A., Okada K., Inaba N. Cooking for humanoid robot, a task that needs symbolic and geometric reasonings. In: 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2006. P. 462–467. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2006.1641754Gravot F., Haneda A., Okada K., Inaba N. Cooking for humanoid robot, a task that needs symbolic and geometric reasonings. In: 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2006. P. 462–467. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2006.1641754Zahroof T., Bylard A., Shageer H., Pavone M. Perception-Constrained Robot Manipulator Planning for Satellite Servicing. In: 2019 IEEE Aerospace Conference. 2019. P. 1–10. https://doi.org/10.1109/AERO.2019.8741569Zahroof T., Bylard A., Shageer H., Pavone M. Perception-Constrained Robot Manipulator Planning for Satellite Servicing. In: 2019 IEEE Aerospace Conference. 2019. P. 1–10. https://doi.org/10.1109/AERO.2019.8741569Klemm S., Essinger M., Oberländer J., Zofka M.R., Kuhnt F., Weber M., Kohlhaas R., Kohs A., Roennau A., Schamm T., Zöllner J.M. Autonomous multi-story navigation for valet parking. In: 2016 IEEE 19th International Conference on Intelligent Transportation Systems. 2016. P. 1126–1133. https://doi.org/10.1109/ITSC.2016.7795698Klemm S., Essinger M., Oberländer J., Zofka M.R., Kuhnt F., Weber M., Kohlhaas R., Kohs A., Roennau A., Schamm T., Zöllner J.M. Autonomous multi-story navigation for valet parking. In: 2016 IEEE 19th International Conference on Intelligent Transportation Systems. 2016. P. 1126–1133. https://doi.org/10.1109/ITSC.2016.7795698Han P., Li G., Zhang H. Leveraging Past Experience for Path planning of Marine Vessel: A Docking Example. Modeling, Identification and Control. 2022;43(3):101–109. http://doi.org/10.4173/mic.2022.3.2Han P., Li G., Zhang H. Leveraging Past Experience for Path planning of Marine Vessel: A Docking Example. Modeling, Identification and Control. 2022;43(3):101–109. http://doi.org/10.4173/mic.2022.3.2Garrido-Jurado S., Muñoz-Salinas R., Madrid-Cuevas F.J., Marin-Jiménez M.J. Automatic generation and detection of highly reliable fiducial markers under occlusion. Pattern Recognition. 2014;47(6):2280–2292. https://doi.org/10.1016/j.patcog.2014.01.005Garrido-Jurado S., Muñoz-Salinas R., Madrid-Cuevas F.J., Marin-Jiménez M.J. Automatic generation and detection of highly reliable fiducial markers under occlusion. Pattern Recognition. 2014;47(6):2280–2292. https://doi.org/10.1016/j.patcog.2014.01.005

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