Модели и алгоритмы поддержки принятия решения при управлении процессом мониторинга объектов с использованием робототехнических систем

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ИСПОЛНЕНИЯ НАКАЗАНИЙ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ КАЗЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ФСИН РОССИИ 
А. В. Калач, А. С. Соловьев, С. В. Аникин 
МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ 
ПРИ УПРАВЛЕНИИ ПРОЦЕССОМ МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
Монография 
Иваново 
2023 

УДК 621.865.8-52 
ББК 32.816 
К17 
Утверждено советом по научно-исследовательской 
и редакционно-издательской деятельности Воронежского института ФСИН России 
24 мая 2023 г., протокол № 5 
Р е ц е н з е н т ы :
профессор кафедры практической и прикладной информатики  
ФГБОУ ВО МИРЭА – Российский технологический университет  
доктор технических наук Т. Е. Смоленцева; 
профессор кафедры информационной безопасности телекоммуникационных 
систем Воронежского института ФСИН России доктор технических наук,  
профессор В. И. Сумин  
Калач, А. В. 
Модели и алгоритмы поддержки принятия решения при управлении 
процессом мониторинга объектов с использованием робототехнических систем : 
монография / А. В. Калач, А. С. Соловьев, С. В. Аникин ; ФКОУ ВО 
Воронежский 
институт 
ФСИН 
России. 
– 
Иваново 
: 
Издательскополиграфический комплекс «ПресСто», 2023. – 128 с.
ISBN 978-5-6050880-4-2
В 
монографии 
приведен 
анализ 
особенностей 
функционирования 
робототехнических комплексов специального назначения, рассмотрены способы 
ориентации мобильного робота-загрузчика специального назначения с применением лазерного сканера, а также предложен способ ориентации мобильного 
робота-загрузчика специального назначения с применением лазерного сканера, 
алгоритм определения координат робота относительно летательного аппарата.  
Изложенный в монографии материал представляет интерес для специалистов в области системного анализа и прикладной теории систем, а также 
для преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в области системного проектирования и управления робототехническими системами.
УДК 621.865.8-52 
         ББК 32.816 
ISBN 978-5-6050880-4-2
© ФКОУ ВО Воронежский институт 
ФСИН России, 2023 
© Калач А. В., Соловьев
, 
 А. С.
Аникин С. В., 2023 
К17 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение..……………………………………………………………………........ 
Глава 1 Анализ существующих вариантов системы подвески 
авиационных средств поражения на летательные аппараты………………… 
Глава 2 Анализ рабочих функций робототехнического 
комплекса специального назначения……………………………………............ 
Глава 3 Структура интеллектуальной системы управления 
мобильного робототехнического комплекса специального назначения...........
5
12
25
28
3.1 Акустические локационные датчики……………………………........ 
3.2 Оптические локационные датчики…………………………………... 
3.3 Электромагнитные локационные датчики…………………………... 
3.4 Тактильные и силомоментные датчики……………………………… 
3.5 Сенсорные системы, определяющие положение 
в пространстве……………………………………………………………... 
3.6 Системы технического зрения……………………………………......
32
35
40
41
42
44
Глава 4 Способы ориентации мобильного робота-загрузчика 
специального назначения с применением лазерного сканера………………… 
Глава 5 Использование ультразвуковых датчиков как второстепенной 
информационной системы обнаружения препятствий………………………... 
Глава 6 Точное позиционирование рабочего органа загрузочного 
манипулятора под приемником…………………………………………………. 
48
58
62
6.1 Лидары…………………………………………………………………. 
6.2 Фотовидеокамеры………………………………………………........... 
6.3 RGB-D-камеры………………………………………………................
64
67
76
Глава 7 Микроконтроллеры и микропроцессоры 
для робототехнических комплексов…………………………………………..... 
Глава 8 Разработка алгоритма процесса автоматизации загрузки 
ракет на летательный аппарат…………………………………………………...
80
84

8.1 Алгоритм определения координат робота относительно 
летательного аппарата…………………………………………………….. 
8.2 Математическое описание процесса загрузки авиационных 
средств поражения на летательный аппарат…………………………………… 
86
94
Глава 9 Алгоритмы управления движением мобильного робота 
по заданным траекториям……………………………………………………….. 
Глава 10 Система управления движением мобильного робота 
по произвольным траекториям………………………………………………….. 
Заключение……………………………………………………………………….. 
Список литературы………………………………………………………………. 
103
106
119
121

Введение 
В настоящее время в различных областях деятельности все шире используются робототехнические системы, способные самостоятельно перемещаться в 
ограниченном пространстве и осуществлять некоторый набор действий, запрограммированных оператором. Такой мобильный робот (МР) оснащается целым 
набором разнообразных датчиков и измерительных приборов, с помощью которых возможно сформировать некоторое представление об окружающем пространстве. Полученные данные позволяют аппарату перемещаться по ограниченной площади и выполнять необходимую последовательность действий. Таким образом, рассматриваемое устройство представляет собой в некотором роде искусственный интеллект, снабженный набором манипуляторов для самостоятельного выполнения ряда необходимых действий. Однако в военной области или в медицине ошибочные действия робота могут привести к катастрофическим последствиям, а следовательно, участие человека в управлении роботом 
остается весьма актуальным. В вязи с важностью выполняемых задач необходимо существенно упростить систему работы оператора. Наиболее предпочтительным представляется диалог оператора с роботом на соответствующем языке управления, максимально приближенном к естественному. 
При таком подходе сама суть управления изменяется, поскольку механизм приобретает некоторую самостоятельность при выполнении поставленной 
задачи. Для осуществления управления робот должен иметь возможность реагировать на команды оператора, вести диалог, информировать оператора об изменении внешних условий, докладывать о своих действиях и о выполнении поставленной задачи. В этих условиях особые требования предъявляются к программному «интеллекту» робота и к его набору датчиков и приборов. Совокупное оснащение аппарата предполагает возможность анализировать внешние 

условия в динамике, планировать свой маршрут и последовательность действий, вести диалог с оператором. 
Программное обеспечение должно позволять роботу самостоятельно искать и обнаруживать опасные предметы, свободно перемещаться в пространстве, в котором могут находиться и другие движущиеся объекты. При потере 
связи с оператором робот должен самостоятельно, используя полученную и запомненную информацию о внешнем мире, вернуться обратно на исходную позицию. Управление автономным роботом со стороны оператора приобретает 
новый характер. Это уже не непосредственное управление движением, а постановка задач. Поскольку условия выполнения задач не всегда соблюдаются, 
управление приобретает характер диалога между человеком и интеллектуальной системой управления. Последняя принимает равноправное участие в планировании операций и принятии решений. Такого рода робототехнические системы называют системами кооперативного управления [1]. Область применения автономных роботов очень широка: поиск и обезвреживание опасных объектов, задачи радиационной и химической разведки, работа в зоне техногенных 
и природных катастроф. Такие робототехнические системы находят применение и в гражданской сфере в качестве сервисной робототехники. Сервисные 
роботы уже появились и успешно выполняют функции обслуживания посетителей в музеях, аэропортах, магазинах. Особенно важно применение сервисных 
роботов в медицинских учреждениях, в том числе в качестве средства реабилитации пациентов. Активно используются сервисные роботы телеприсутствия, 
позволяющие удаленно находиться в помещении и перемещаться по нему, 
наблюдая происходящее вокруг видеокамерой робота. Практическое применение автономных мобильных роботов привело к необходимости одновременного 
участия в выполнении поставленных задач не одного, а группы взаимодей

ствующих роботов. Теория группового управления интеллектуальными роботами находится на начальной стадии своего развития. Тем не менее определенные результаты получены и в этой области.  
Для выполнения своих задач робот должен двигаться по заданному 
маршруту и при этом соблюдать меры безопасности, в том числе при наличии 
движущихся объектов в рабочей зоне. Таким образом, робот перемещается автономно при помощи навигационной системы, при этом оператор выполняет 
только функцию постановки задачи. Не исключается и полуавтоматический 
режим, например режим телеприсутствия, при котором задача оператора существенно упрощается. 
Специфика управления мобильным роботом в динамической среде состоит в том, что движение препятствий нельзя рассчитать заранее. Чтобы избежать 
столкновений с движущимися препятствиями, необходимо знать их положение 
и предсказывать траекторию их движения. Тогда можно двигаться вдоль спланированной траектории, отклоняясь от нее в нужный момент, чтобы совершить 
маневр и объехать препятствие.  
Отметим, что, несмотря на большую степень автономности интеллектуального мобильного робота, он все же должен контролироваться оператором, 
который ставит текущие задачи в соответствии с получаемой информацией. К 
тому же в большинстве задач мобильные роботы непосредственно управляются 
в дистанционном режиме оператором. При потере связи, ухудшении видимости 
и других случаях, когда не может использоваться полуавтоматическое управление, возникает проблема автоматического возвращения робота к оператору. Если основные задачи решаются в дистанционном режиме, то применять дорогостоящий лазерный дальномер для решения этой задачи методом SLAM не всегда целесообразно. Поэтому в экстремальных ситуациях альтернативой этим 

методам является визуальная одометрия – метод оценки линейного и углового 
смещения робота с помощью анализа последовательности изображений, снятых 
установленной на нем камерой [10]. 
Для организации диалогового управления мобильным роботом целесообразно использовать методы нечеткой логики. Эти методы оказались весьма эффективными для описания внешнего мира и текущей ситуации с помощью 
лингвистических переменных. Развитие этого подхода применительно к задаче 
управления роботами состоит в том, чтобы найти «естественную» в том же 
смысле оценку ситуации и принять в заранее неопределенных условиях решение, определяющее поведение робота. Описание внешнего мира робота включает описание как объектов, представляющих интерес для выполнения заданной операции, так и пространственных отношений между объектами мира, 
включая и самого робота. Для описания пространственных отношений между 
объектами рабочей сцены используются экстенциальные и интенциальные нечеткие отношения [15]. К первым относятся отношения положения и ориентации объектов. Например, «объект а1 далеко и впереди справа объекта а2». 
К интенциальным относятся такие отношения, как «соприкасаться»; «быть 
внутри»; «быть вне»; «быть в центре» и т. д. Из элементарных пространственных бинарных отношений можно, используя формальные правила коньюнкции 
и дизьюнкции, получить и другие отношения, встречающиеся на практике. 
Текущая ситуация, включающая M объектов, в том числе управляемого 
робота, описывается системой бинарных фреймов (<объект m>, <отношение>, 
<объект n>), m, n = 1, 2,…, M. Если заранее установлены нечеткие бинарные 
отношения между всеми объектами, которые могут наблюдаться роботом в 
процессе движения, то мы получим нечеткую семантическую сеть, или нечеткую карту. Используя такую карту, можно, в частности, осуществлять навига

цию робота по наблюдаемым реперам, т. е. по объектам, положение которых 
было заранее известно [16]. Образ текущей ситуации может включать и другие 
нечеткие признаки, помимо пространственных. Например, мобильный робот, 
предназначенный для охраны помещения от пожара, может иметь датчики температуры, влажности, состава воздуха (наличия вредных веществ или задымления), акустические датчики. Совокупность этих данных определяет направление движения к источнику пожара [17]. Важная особенность задачи управления 
с использованием нечеткой модели рабочей сцены мобильным роботом, снабженным системой технического зрения, состоит в том, что в процессе движения 
меняется масштаб изображения, воспринимаемого телекамерой, установленной 
на роботе. Он меняется в зависимости от дальности до препятствия и курсового 
угла. Этот эффект приводит к необходимости введения двумерной функции 
принадлежности для определения текущего положения робота на плоскости. 
Например, функция принадлежности по ориентации (по курсовому углу) зависит также и от дальности D. Эта особенность системы технического зрения автономного мобильного робота соответствует закону пространственной перспективы, свойственному естественному зрению человека. Поскольку внешний 
мир непрерывно изменяется за счет движения как наблюдаемых объектов, так и 
самого робота, то и описание ситуации изменяется во времени. Это обстоятельство требует учета в общем случае не только пространственных, но и временных отношений во внешнем мире, таких как «быть одновременно», «быть 
раньше», «следовать за». Такие отношения приходится использовать, в частности, при управлении мобильными роботами, перемещающимися в пространстве, содержащем другие движущиеся объекты [18]. Они позволяют обеспечить 
автоматическое сопровождение подвижных объектов или избежать столкновения с ними. В общем случае ситуация определяется фреймом, слотами которого 

служат имена объектов внешнего мира, естественные отношения между объектам, как пространственные, так и временные, а также другие признаки, характеризующие ситуацию. Сравнение наблюдаемой ситуации с одной из эталонных ситуаций, содержащихся в базе знаний, проводится с использованием тех 
или иных критериев нечеткой близости ситуаций [19], так что получаемая таким образом оценка ситуации роботом представляет не что иное, как формализованную и усредненную оценку аналогичной ситуации человеком. Совокупность обозначений (имен) заданных объектов в пространстве рабочей сцены и 
нечетких отношений между ними составляют словарь формального языка описания ситуации. Применяя общепринятую терминологию, можно назвать язык 
используемых для описания ситуаций формально-логических отношений, ситуационным языком. На ситуационном языке может быть организован диалог между 
роботом и человеком при анализе ситуации. Диалоговая организация интерфейса 
позволяет роботу формировать запросы к оператору при отсутствии необходимой 
информации для построения модели внешнего мира. 
Развитие роботизированных систем также актуально и в военной сфере. 
В прикладные задачи роботизации оборудования, различных технологических 
процессов и военной техники входят задачи точного позиционирования тяжелых крупногабаритных объектов. Подобные операции распространены в строительстве, машиностроении и других отраслях. В частности, в современных 
условиях, особенно в военной сфере, требуется оперативное принятие решений 
и выполнение задач в опасной военной обстановке. Примером подобных операций может служить снабжение и ремонт военной техники. Рассмотрим более 
подробно работу робототехнического комплекса (РТК) специального назначения, предназначенного для осуществления загрузки на бомбардировщики и истребители ракет «воздух – поверхность» и «воздух – воздух».