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 исполь
зуются робототехнические системы, способные самостоятельно перемещаться в 

ограниченном пространстве и осуществлять некоторый набор действий, запро
граммированных оператором. Такой мобильный робот (МР) оснащается целым 

набором разнообразных датчиков и измерительных приборов, с помощью кото
рых возможно сформировать некоторое представление об окружающем про
странстве. Полученные данные позволяют аппарату перемещаться по ограни
ченной площади и выполнять необходимую последовательность действий. Та
ким образом, рассматриваемое устройство представляет собой в некотором ро
де искусственный интеллект, снабженный набором манипуляторов для само
стоятельного выполнения ряда необходимых действий. Однако в военной обла
сти или в медицине ошибочные действия робота могут привести к катастрофи
ческим последствиям, а следовательно, участие человека в управлении роботом 

остается весьма актуальным. В вязи с важностью выполняемых задач необхо
димо существенно упростить систему работы оператора. Наиболее предпочти
тельным представляется диалог оператора с роботом на соответствующем язы
ке управления, максимально приближенном к естественному.

При таком подходе сама суть управления изменяется, поскольку меха
низм приобретает некоторую самостоятельность при выполнении поставленной 

задачи. Для осуществления управления робот должен иметь возможность реа
гировать на команды оператора, вести диалог, информировать оператора об из
менении внешних условий, докладывать о своих действиях и о выполнении по
ставленной задачи. В этих условиях особые требования предъявляются к про
граммному «интеллекту» робота и к его набору датчиков и приборов. Совокуп
ное оснащение аппарата предполагает возможность анализировать внешние 

условия в динамике, планировать свой маршрут и последовательность дей
ствий, вести диалог с оператором.

Программное обеспечение должно позволять роботу самостоятельно ис
кать и обнаруживать опасные предметы, свободно перемещаться в простран
стве, в котором могут находиться и другие движущиеся объекты. При потере 

связи с оператором робот должен самостоятельно, используя полученную и за
помненную информацию о внешнем мире, вернуться обратно на исходную по
зицию. Управление автономным роботом со стороны оператора приобретает 

новый характер. Это уже не непосредственное управление движением, а поста
новка задач. Поскольку условия выполнения задач не всегда соблюдаются, 

управление приобретает характер диалога между человеком и интеллектуаль
ной системой управления. Последняя принимает равноправное участие в пла
нировании операций и принятии решений. Такого рода робототехнические си
стемы называют системами кооперативного управления [1]. Область примене
ния автономных роботов очень широка: поиск и обезвреживание опасных объ
ектов, задачи радиационной и химической разведки, работа в зоне техногенных

и природных катастроф. Такие робототехнические системы находят примене
ние и в гражданской сфере в качестве сервисной робототехники. Сервисные 

роботы уже появились и успешно выполняют функции обслуживания посети
телей в музеях, аэропортах, магазинах. Особенно важно применение сервисных 

роботов в медицинских учреждениях, в том числе в качестве средства реабили
тации пациентов. Активно используются сервисные роботы телеприсутствия, 

позволяющие удаленно находиться в помещении и перемещаться по нему, 

наблюдая происходящее вокруг видеокамерой робота. Практическое примене
ние автономных мобильных роботов привело к необходимости одновременного 

участия в выполнении поставленных задач не одного, а группы взаимодей

ствующих роботов. Теория группового управления интеллектуальными робо
тами находится на начальной стадии своего развития. Тем не менее определен
ные 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 ав
тономно при помощи навигационной системы, при этом оператор выполняет 

только функцию постановки задачи. Не исключается и полуавтоматический 

режим, например режим телеприсутствия, при котором задача оператора суще
ственно упрощается.

Специфика управления мобильным роботом в динамической среде состо
ит 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 спла
нированной траектории, отклоняясь от нее в нужный момент, чтобы совершить 

маневр и объехать препятствие. 

Отметим, что, несмотря на большую степень автономности интеллекту
ального 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 управле
ние, возникает проблема автоматического возвращения робота к оператору. Ес
ли основные задачи решаются в дистанционном режиме, то применять дорого
стоящий лазерный дальномер для решения этой задачи методом SLAM не все
гда 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 целесооб
разно использовать методы нечеткой логики. Эти методы оказались весьма эф
фективными 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 реше
ние, определяющее поведение робота. Описание внешнего мира робота вклю
чает описание как объектов, представляющих интерес для выполнения задан
ной операции, так и пространственных отношений между объектами мира, 

включая и самого робота. Для описания пространственных отношений между 

объектами рабочей сцены используются экстенциальные и интенциальные не
четкие отношения [15]. К первым относятся отношения положения и ориента
ции 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 пространствен
ных 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 нечет
кую 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 тем
пературы, влажности, состава воздуха (наличия вредных веществ или задымле
ния), акустические датчики. Совокупность этих данных определяет направле
ние движения к источнику пожара [17]. Важная особенность задачи управления 

с использованием нечеткой модели рабочей сцены мобильным роботом, снаб
женным 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) зави
сит также и от дальности D. Эта особенность системы технического зрения ав
тономного мобильного робота соответствует закону пространственной пер
спективы, 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 обстоятель
ство требует учета в общем случае не только пространственных, но и времен
ных отношений во внешнем мире, таких как «быть одновременно», «быть 

раньше», «следовать за». Такие отношения приходится использовать, в частно
сти, при управлении мобильными роботами, перемещающимися в простран
стве, содержащем другие движущиеся объекты [18]. Они позволяют обеспечить 

автоматическое сопровождение подвижных объектов или избежать столкнове
ния с ними. В общем случае ситуация определяется фреймом, слотами которого 

служат имена объектов внешнего мира, естественные отношения между объек
там, как пространственные, так и временные, а также другие признаки, харак
теризующие ситуацию. Сравнение наблюдаемой ситуации с одной из эталон
ных ситуаций, содержащихся в базе знаний, проводится с использованием тех 

или иных критериев нечеткой близости ситуаций [19], так что получаемая та
ким образом оценка ситуации роботом представляет не что иное, как формали
зованную и усредненную оценку аналогичной ситуации человеком. Совокуп
ность обозначений (имен) заданных объектов в пространстве рабочей сцены и 

нечетких отношений между ними составляют словарь формального языка опи
сания ситуации. Применяя общепринятую терминологию, можно назвать язык 

используемых для описания ситуаций формально-логических отношений, ситуа
ционным 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 тяже
лых крупногабаритных объектов. Подобные операции распространены в строи
тельстве, 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 опе
раций может служить снабжение и ремонт военной техники. Рассмотрим более 

подробно работу робототехнического комплекса (РТК) специального назначе
ния, предназначенного для осуществления загрузки на бомбардировщики и ис
требители ракет «воздух – поверхность» и «воздух – воздух».

При разработке робототехнического комплекса специального назначения 

необходимо решить следующие задачи:

– проанализировать существующие варианты подвески авиационных 

средств поражения (АСП) на летательные аппараты (ЛА) с целью формирова
ния будущей системы;

– на основе технических требований РТК осуществить выбор подходя
щих элементов устройства ориентации и манипуляционного устройства робота;

– произвести анализ технологических операций процесса загрузки лета
тельных аппаратов и составить алгоритм функционирования РТК;

– разработать многоуровневую систему управления РТК и осуществить мо
делирование процессов отработки стандартных режимов функционирования РТК. 

Глава 1

Анализ существующих вариантов систем подвески 

авиационных средств поражения на летательные аппараты

Подвеска авиационных средств поражения на летательный аппарат может 

производиться несколькими способами. Наиболее перспективным и производи
тельным является мобильный многофункциональный робототехнический ком
плекс специального назначения, предназначенный для транспортировки и за
грузки объектов манипулирования массой до 1,5 тонн в автоматическом режи
ме, с точным позиционированием по шести координатам в малом диапазоне 

линейных и угловых перемещений при малых значениях скорости. В состав 

комплекса необходимо включить управляющую, информационную и исполни
тельную подсистемы. Динамические характеристики проектируемого объекта 

во многом определяются свойствами исполнительной системы, в состав кото
рой входит манипулятивное устройство комплекса. С помощью манипулятив
ного устройства и системы приводов обеспечивается точность позиционирова
ния объектов манипулирования.

С целью рационального выбора конструкции манипулятивного устрой
ства рассмотрены отечественные и зарубежные образцы манипуляторов, пред
назначенные для выполнения аналогичных функций.

Обзор публикаций показал, что в настоящее время для транспортировки и 

загрузки объектов с подобными весогабаритными характеристиками использу
ются три типа механических систем, а именно: 

1) навесные тросовые системы подъема грузов с электромеханическими 

лебедками;

2) несамоходные тележки и тележки-податчики;

3) самоходные манипуляторы.