Обзор аппаратно-программного обеспечения систем управления роботов различного масштаба и назначения. Часть 3. Экстремальная робототехника

В работе проводится обзор роботов различного масштаба и назначения. В ходе обзора анализируются применяемые аппаратные и программные решения и обобщаются наиболее распространённые структурные схемы систем управления. По результатам обзора проводится анализ подходов к масштабированию систем управления, применению алгоритмов интеллектуального управления, обеспечению отказоустойчивости, снижению массогабаритных размеров элементов систем управления, свойственных разным классам роботов. Целью работы является поиск общих подходов, применяемых в различных областях робототехники для построения на их основе единой методологии проектирования масштабируемых интеллектуальных систем управления роботов с заданным уровнем отказоустойчивости на унифицированной элементной базе. Данная часть посвящена экстремальной робототехнике и обобщению выводов по всему циклу работ. В работе отмечается возможность и необходимость развития единых подходов к созданию роботов различного масштаба и назначения. Отмечается, что в отличие от многих зарубежных стран, в Российской Федерации надо учитывать серьезные ограничения на элементную базу, которые не позволяют свободно проводить конверсию технологий между гражданской, военной и космической робототехникой. В связи с этим, предлагается провести анализ взаимозаменяемой российской и зарубежной элементной базы, выделить технические решения в области создания элементов систем управления и организации информационного обмена между ними, которые могли бы быть реализованы как на зарубежной, так и на отечественной элементной базе, и на их основе создать концептуальную модель масштабируемой интеллектуальной системы управления с заданным уровнем отказоустойчивости на унифицированной элементной базе.

1. Хрипунов С.В., Донченко А.А., Чиров Д.С., Винокурова Ю.С., Климов Р.С. и др. Робототехнические средства, комплексы и системы военного назначения. Основные положения. Классификация. Методические Рекомендации. М: ГНИИ ЦР МО РФ, 2015. 34 с.

2. Юревич Е.И. Основы робототехники, 4 изд. БХВ-Петербург, 2018. 304 c. ISBN 978-5-9775-3851-0

3. Zielinska T.T. History of Service Robots and New Trends. In: Novel Design and Applications of Robotics Technologies. IGI Global, 2019:158-187. https://doi.org/10.4018/978-1-5225-5276-5.ch006

4. Kumar V., Bekey G., Zheng Y. Industrial, personal and service robots. G. Bekey (Ed.). Assessment of international research and development in robotics. World Technology Evaluation Center, Lancaster, 2006; P. 41-48. http://www.wtec.org/robotics/report/05-Industrial.pdf

5. Лопота А.В., Юревич Е.И. Этапы и перспективы развития модульного принципа построения робототехнических систем. Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2013;1(164):98-103.

6. Лопота В.А., Юревич Е.И. Экстремальная робототехника и мехатроника. Принципы и перспективы развития. Мехатроника, автоматизация, управление. 2007;4:37-42.

7. Лохин В.М., Романов М.П., Трипольский П.Э. Повышение эффективности разработки роботов специального назначения на основе стандартизации и унификации аппаратных и программных средств интеллектуальных бортовых систем управления. Вестник МГТУ МИРЭА. 2014;1:99-105.

8. Furano G., Jansen R., Menicucci A. Review of radiation hard electronics activities at European Space Agency. JINST. 2013;8(02): C02007. http://dx.doi.org/10.1088/1748-0221/8/02/C02007

9. Yin S., Xiao B., Ding S.X., Zhou D. et al. A review on recent development of spacecraft attitude fault tolerant control system. IEEE T. Ind. Electron. 2016;63(5):3311-3320. https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2530789

10. Crestani D., Godary-Dejean K., Lapierre L. Enhancing fault tolerance of autonomous mobile robots. Robot. Auton. Syst. 2015;68:140-155. https://doi.org/10.1016/j.robot.2014.12.015

11. Joshi S.D., Talange D.B. Fault Tolerant Control for a Fractional Order AUV System. International Journal of Energy Optimization and Engineering (IJEOE) 2016;5(2):1-24. https://doi.org/10.4018/IJEOE.2016040101

12. Ашарина И.В. и др. Проблемы создания живучих сетецентрических систем управления группировками космических аппаратов. Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. 2017;1:325-332.

13. Tadokoro S. (Ed.). Rescue robotics: DDT project on robots and systems for urban search and rescue. Springer Science & Business Media, 2009. 192 p.

14. Nagatani K., Kiribayashi S., Okada Y., Tadokoro S. et al. Redesign of rescue mobile robot Quince. In: 2011 IEEE International Symposium on Safety, Security, and Rescue Robotics. 2011. P. 13-18. https://doi.org/10.1109/SSRR.2011.6106794

15. Nagatani K., Nagatani K., Okada Y., Otake K., Yoshida K., Tadokoro S., Nishimura T., Yoshida T. Emergency response to the nuclear accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants using mobile rescue robots. J. Field Robot. 2013;30(1):44-63. https://doi.org/10.1002/rob.21439

16. Цариченко С.Г Экстремальная робототехника в МЧС России - задачи и перспективы. Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza. 2012;28:97-105.

17. Цариченко С.Г., Савин М.В., Мозговой А.П., Николаева Е.Ю. Опыт 8-летней деятельности по созданию робототехники. Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. 2013;1(4):146-150.

18. Kruijff G-J.M., Pirri F., Gianni M., Papadakis P. et al. Rescue robots at earthquake-hit Mirandola, Italy: A field report. In: 2012 IEEE international symposium on safety, security, and rescue robotics (SSRR). IEEE. 2012;1-8. https:// doi.org/10.1109/SSRR.2012.6523866

19. Манько С.В., Диане С.А.К., Лохин В.М., Новосельский А.К. Групповое управление роботами в задачах разхбора завалов и демонтажа объектов атомной отрасли. Экстремальная робототехника. 2017;1(1):302-311.

20. Вазаев А.В., Носков В.П., Рубцов И.В., Цариченко С.Г. Комплексированная СТЗ в системе управления пожарного робота. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2017;1(186) ):121-132. https://doi.org/10.18522/2311-3103-2017-1-121132

21. Yoshida K., Wilcox B., Hirzinger G., Lampariello R. Space robotics. In: Springer Handbook of Robotics. B. Siciliano, O. Khatib (Eds.). Springer, Cham, 2016. P. 1423-1462. https://hdl.handle.net/10.1007/978-3-319-32552-1_55

22. Yim M., Roufas K., Duff D., Zhang Y. Modular reconfigurable robots in space applications. Auton. Robot. 2003;14(2-3):225-237. https://doi.org/10.1023/A:1022287820808

23. Полесский С.Н., Жаднов В.В., Артюхова М.А., Прохоров В.Ф. Обеспечение радиационной стойкости аппаратуры космических аппаратов при проектировании. Компоненты и технологии. 2010;9:93-98.

24. Ivchenko V., Krug P., Matyukhina T., Pavelyev S. Mars-500 Program Space-Based Mobile Robot “Turist”. Appl. Mech. Mater. 2015;789-790:742-746. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.789-790.742

25. Katz D.S., Some R.R. NASA advances robotic space exploration. Computer. 2003;36(1):52-61. https://doi.org/10.1109/MC.2003.1160056

26. Ratter D. FPGAs on mars. Xcell J. 2004;50: 8-11.

27. Hirzinger G., Brunner B., Landzettel K. et al. Space robotics - DLR's telerobotic concepts, lightweight arms and articulated hands. Auton. Robots. 2003;14(2-3):127-145. https://doi.org/10.1023/A:1022275518082

28. Morris K. FPGAs in space. FPGA and Programmable Logic J. 2004;4(5).

29. Jorg S., Nickl V., Nothhelfer A., Bahls T. et al. The computing and communication architecture of the DLR hand arm system. In: 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2011. P. 1055-1062. https:// doi.org/10.1109/IROS.2011.6094860

30. Lentaris G., Stamoulias I., Diamantopoulos D., Maragos K. et al. SPARTAN/SEXTANT/COMPASS: advancing space rover vision via reconfigurable platforms. In: Proc. Applied Reconfigurable Computing - 11th International Symposium. Springer, Cham, 2015. P. 475-486. https://doi.org/10.1007/978-3-319-16214-0_44

31. Montealegre N., Merodio L., Fernandez A., Armbruster P. et al. In-flight reconfigurable FPGA-based space systems. In: 2015 NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems (AHS). IEEE. 2015. P. 1-8. https://doi.org/10.1109/AHS.2015.7231177

32. Lentaris G., Stamoulias J., Soudris D., Lourakis M. et al. HW/SW codesign and FPGA acceleration of visual odometry algorithms for rover navigation on Mars. IEEE T. Circ. Syst. Vid. 2016;26(8):1563-1577. https://doi.org/10.1109/TCSVT.2015.2452781

33. Jorg S., Tully J., Albu-Schaffer A. The hardware abstraction layer - supporting control design by tackling the complexity of humanoid robot hardware. In: Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2014. P. 6427-6433. https://doi.org/10.1109/ICRA.2014.6907808

34. Gankidi P.R., Thangavelautham J. FPGA architecture for deep learning and its application to planetary robotics. In: Proc. 2017 IEEE Aerospace Conference. 2017. P. 1-9. https://doi.org/10.1109/AERO.2017.7943929

35. Wirthlin M.J., Keller A.M., Draper J.T. et al. SEU mitigation and validation of the LEON3 soft processor using triple modular redundancy for space processing. In: Proc. 2016 ACM/SIGDA International Symposium on Field-Programmable Gate Arrays. 2016. P. 205-214. https://doi.org/10.1145/2847263.2847278

36. Notebaert O., Montano G., Planche T. et al. Towards SpaceWire-2: Space robotics needs: SpaceWire missions and applications, long paper. In: Proc. 2016 International SpaceWire Conference (SpaceWire). IEEE, 2016. P. 1-9. https://doi.org/10.1109/SpaceWire.2016.7771614

37. Badger J., Gooding D., Ensley K., Hambuchen K., Thackston A. ROS in space: A case study on robonaut 2. In: Robot Operating System (ROS), A. Koubaa (Ed.). Springer, Cham, 2016. P. 343-373. https://doi.org/10.1007/978-3-319-26054-9_13

38. Розман Б.Я., Римский-Корсаков Н.А. Телеуправляемые подводные аппараты ИО РАН. IX Международная научно-техническая конференция. "Современные методы и средства океанологических исследований". Материалы конференции. М.: Изд-во РАН Института Океанологии. Часть 1, 2005 C. 46-56. URL: http://hdl.handle.net/123456789/2829

39. Лохин В.М., Манько С.В., Романов М.П., Романов А.М. Универсальная бортовая система управления роботами различных типов базирования и назначения (реализация принципов унификации и импортозамещения). Вестник МГТУ МИРЭА. 2015;1(3):230-248.

40. Ваулин Ю.В., Инзарцев А.В., Львов О.Ю., Матвиенко Ю.В., Павин А.М. Реконфигурируемая система управления и навигации для многофункциональных подводных роботов. Подводные исследования и робототехника. 2017;1(23):4-13.

41. Кожемякин И.В., Рождественский К.В., Рыжов В.А., Смольников А.В., Татаренко Е.И. Подводные глай-деры: вчера, сегодня, завтра. Часть 2. Морской вестник. 2013;2(46):98-101.

42. DeMarco K., West M.E., Collins T.R. An implementation of ROS on the Yellowfin autonomous underwater vehicle (AUV). In: OCEANS'11 MTS/IEEE KONA. 2011. 7 p. https://doi.org/10.23919/OCEANS.2011.6107001

43. Smith R.N., Py F., Rajan K., Sukhatme G.S. Adaptive path planning for tracking ocean fronts with an autonomous underwater vehicle. In: Experimental Robotics, M.A. Hsieh, O. Khatib, V. Kumar (Eds.). Springer, 2016. P. 761-775. https://doi.org/10.1007/978-3-319-23778-7

44. Lawrance N.R.J., Somers T., Jones D., Mccammon S. et al. Ocean deployment and testing of a semi-autonomous underwater vehicle. In: OCEANS 2016 MTS/IEEE Monterey. IEEE, 2016. 6 p. https://doi.org/10.1109/OCEANS.2016.7761276

45. Sukvichai K., Wongsuwan K., Kaewnark N., Wisanuve P. Implementation of visual odometry estimation for underwater robot on ROS by using RaspberryPi 2. In: Proc. 2016 International Conference on Electronics, Information, and Communications (ICEIC). IEEE, 2016. 4 p. https://doi.org/10.1109/ELINFOCOM.2016.7563010

46. Chalkiadakis V., Papandroulakis N., Livanos G., Moirogiorgou K. et al. Designing a small-sized autonomous underwater vehicle architecture for regular periodic fish-cage net inspection. In: Proc. 2017 IEEE International Conference on Imaging Systems and Techniques (IST). IEEE, 2017. 6 p. https://doi.org/10.1109/IST.2017.8261525

47. Centelles D., Soriano A., Marin R., Sanz P.J. Arquitectura para teleoperacion inalambrica con realimentacion visual de ROVs basados en ArduSub. Actas de las XXXIX Jornadas de Automatica, Badajoz, 5-7 de Septiembre de 2018. https://doi.org/10.17979/spudc.9788497497565.0408

48. ArduSub GitBook [Электронный ресурс]: режим доступа — свободный (дата обращения: 27.02.2019), URL:https://www.ardusub.com/

49. Antonelli G. Dynamic Control of 6-DOF AUVs and Fault Detection/Tolerance Strategies. In: Underwater Robots. Springer Tracts in Advanced Robotics, V. 123. Springer, Cham, 2018. P. 111-173. https://doi.org/10.1007/978-3-319-77899-0_3

50. Springer P.J. Military robots and drones: a reference handbook. Santa Barbara, CA: ABC-CLIO, 2013. 297 p. ISBN 9781-59884-732-1.

51. Рубцов И. В. Вопросы состояния и перспективы развития отечественной наземной робототехники военного и специального назначения. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2013:3(140):14-21.

52. Кудряшов В.Б., Лапшов В.С., Носков В.П., Рубцов И.В.Проблемы роботизации ВВТ в части наземной составляющей. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2014;3(152):42-57.

53. Yamauchi B.M. PackBot: a versatile platform for military robotics. In: Proc. SPIE - International Society for Optics and Photonics, 2004. V. 5422. Unmanned ground vehicle technology VI. P. 228-238. https://doi.org/10.1117/12.538328

54. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько С.В., Романов М.П., Ивлев А.А., Юрин А.Д. Перспективы и реалии применения интеллектуальных технологий управления и обработки информации при создании образцов вооружения и военной техники нового поколения. Мехатроника, автоматизация, управление. 2009;3:16-23.

55. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько С.В., Романов М.П., Александрова Р.И. Развитие технологии интеллектуального управления для создания перспективных образцов ВВТ на базе новых средств комплексной автоматизации проектирования. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2013;3(140):7-14.

56. Романов А.М., Слащев Б.В. Реализация Калмановской фильтрации на базе ПЛИС. Актуальные вопросы развития систем и средств военно-космической обороны. Сборник трудов V научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, Москва, 25-27 сентября 2014 г., под общ. ред. Н.Э. Ненартовича. М.: ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей», 2014. C. 402-407.

57. Родионов В.В., Филиппов С.И., Варабин Д.А. Унифицированная система управления робототехниче -скими комплексами. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2018;1(195):128-140.

58. Towler J., Bries M. ROS Military: Progress and Promise. In: Proc. 2018 Ground Vehicle Systems Engineering and Technology Symposium (GVSETS), 2018. 10 p. URL: https://events.esd.org/wp-content/uploads/2018/08/ROS-Military-Progress-and-Promise.pdf

59. Ernst N. A., Kazman R., Bianco P. Towards rapid composition with confidence in robotics software. In: Proc. 1st International Workshop on Robotics Software Engineering. ACM, 2018. P. 44-47. https://doi.org/10.1145/3196558.3196567

60. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько С.В., Оманов М.П., Крюченков Е.Н., Кучерский Р.В., Диане С.А. Мультиагентные робототехнические системы: примеры и перспективы применения. Мехатроника, автоматизация, управление. 2012;2:22-32.

61. Корчак В.Ю., Лапшов В.С., Рубцов И.В. Перспективы развития наземных робототехнических комплексов военного и специального назначения. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2015;10(171):83-95.

62. Павин А.М., Инзарцев А.В., Елисеенко Г.Д. Реконфигурируемая распределенная система для группового управления АНПА. Технические проблемы освоения Мирового океана. 2017;7:263-269.

63. Mayoral V., Hernandez A., Kojcev R., Muguruza I., Zam I. The shift in the robotics paradigm—The Hardware Robot Operating System (H-ROS); an infrastructure to create interoperable robot components. In: 2017 NASA/ ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems (AHS). IEEE, 2017. P. 229-236. https://doi.org/10.1109/AHS.2017.8046383

64. Путин В.В. Послание Президента Федеральному Собранию, 2019 [Электронный ресурс]: режим доступа — свободный (дата обращения: 14.03.2019), URL: http://kremlin.ru/events/president/transcripts/copy/59863