Система управления автономным вертолетом
На основе поведенческих реакций
Трудности, с котрыми сталкиваются разработчики систем управления применительно к дистанционно-пилотируемым аппаратам вертолетного типа общеизвестны [ 1],[2]. Бурный прогресс в области микропроцессорной техники последнего десятилетия открыл реальные возможности для примения систем поколения нового поколения, накопленных в рамках развития методов искусственного интеллекта.
Наиболее впечатляющих результатов в этом направлении добилась группа исследователей из Южно-Калифорнийского университета. В силу этого представляется небезинтересным проследить путь, пройденный этой группой. Работа по созданию вертолета автомата были начаты Montgomery в 1992 с создаания вертолета-робота AFV (Autonomous Flying Vehicle),предназначенного для участия в открытом первенстве США по автономным вертолетам.Через два года, в 1994 году накопленныйопыт был воплощен в следующем роботе AVATAR-1 (Autonomous Vehicle Aeral Tracking And Retrieval),который в свою очередь в 1997 г передал эстафету следующему вертолету-роботу AVATAR-2 (Autonomous Vehicle Aeral Tracking And Reconnaissance).
Последний проект финансировался министерством обороны, что существенно увеличило финансовые возможности этой группы исследователей. Однако, почти наверняка, это приведет к тому, что вновь получаемые результаты будут закрыты от открытого рапространения.
Сравнительные характеристики вертолетов-роботов, разработанных и ислледованных этой группой приведены в таблице 3.3, а их внешний вид приведен на рис. 3.1.
Для преодоления трудностей, связанных при применении классической теории управления группой Montgomery была использована система управления на основе поведенческих реакций с использованием нейронных сетей.
Идея использования многоуровневой системы управления, которая и получила в дальнейшем название системы управления на основе поведенческих реакций, принадлежит Бруксу. Основопологающая работа для этого направления была опубликована еще в 1986 году [3]. Далее эти идеи были развитв в работе [4], а также в кандидатской диссертации Montgomery, до недавнего времени доступной в Internet.
Архитектура системы управления на основе поведенчеких реакций (Behavior-Based Architecture) подразумевает представление структуры управляющего алгоритма многоканальной системы управления в виде совокупности относительно простых и по возможности минимально связанных друг с другом вычислительных модулей, которые назаваются поведенческими реакциями (behavior). Каждая поведенческая реакция ответственна за решение конкретной управленческой задачи. В соответствии с рускоязычной теринологией наиболее близкий перевод для понятия поведенческая реакция представляет понятие “контур управления”. Архитектура системы управления AVATARс использованием поведенческих реакций приведен на рис.3.2.
Архитектура системы управления такого рода фактически представляет собой описание структуры информационных связей между разными контурами управления, определяется на этапе проектирования и является жестко фиксированной. При таком подходе, общая задача управления разбивается на ряд модулей (поведенческих реакций). Каждая реакция отвечает за конкретную задачу управления. Эти эадачи выполняются параллельно и имеют своей целью обеспечение выполнение задачи, поставленной перед роботом. Поведенческие реакции структурируются введением многоуровневой системы. Уровни классифицируются скоростями выполнения поведенческих реакций.
В соответствии с таким построением системы разные поведенческие реакции могут использовать показания с одних и тех же датчиков и, соответственно, возмущения, которые представляют собой разницу между поставленной для поведенческой реакции целью и реальным состоянием объекта управления, отрабатываются параллельно по каждому из каналов. Текущее состояние объекта управления оценивается по показаниям датчиков, которые могут использоваться поведенческими реакциями разных уровней. Цели для поведенческих реакций представляют способы описания требуемых траекторий системы в пространствет состояний.
На высшем уровне решаются долгосрочные задачи, стоящие перед роботом: cледование заданной траектории, обеспечение требуемой ориентации в прстанстве при следовании по заданной траектории и т.п. Эти задачи формулируются на основе команд, поступающих с центрального пункта управления или оператора полета, а также на основе показаний датчиков (текущее состояние вертолета).
Средний уровень системы управления обеспечивает необходимые “модули” для выполнения высокоуровневых команд, которые представляют собой выполнение ряда “элементарных” маневров, выпоняемых вертолетом: переход на новую требуемую высоту, обеспечение требуемой пространственной ориентации вертолета и т.п.
Таблица 3.3