Кибернетическая картина мира

– Все шесть ног опираются на землю, скорости всех точек Ci равны нулю, точка 0 перемещается в заданном направлении с заданной скоростью. Это – фаза качания на шести ногах.

– Платформа опирается на три ноги, скорости точек С1 С3, С5 равны нулю, концы трех других ног совершают перемещение по заданному закону, например по циклоиде. Точка 0 при этом перемещается с заданной скоростью, в этой фазе осуществляется качание на трех ногах, три другие ноги переносятся до тех пор, пока не коснутся поверхности.

– Платформа опирается на шесть ног, скорости всех точек Ci (i = 1, 2,..., 6) равны нулю. Совершается качание на шести ногах, точка 0 перемещается в заданном направлении с заданной скоростью.

– Платформа опирается на три ноги, скорости точек С2, С4, C6 равны нулю, концы трех других ног совершают перемещение по заданному закону. Точка 0 перемещается с заданной скоростью: осуществляется качание на трех ногах, три другие переносятся до тех пор, пока не коснутся поверхности, о чем сигнализируют датчики соприкосновения.

5. Платформа опирается на шесть ног, скорости всех точек Сi (i = 1, 2,..., 6) равны нулю, совершается качание на шести ногах, точка 0 перемещается с заданной скоростью и т. д.

Далее строится эквивалентная система дифференциальных уравнений с неопределенными коэффициентами для (3.6) и (3.7).

При управлении шагающим устройством важен учет динамических эффектов, что в рамках разрабатываемого подхода можно осуществить, введя в рассмотрение вторые производные от координат. В этом случае с помощью неопределенных коэффициентов в эквивалентной системе дифференциальных уравнений можно задавать не только скорости, но и ускорения, а значит и усилия, развиваемые приводом, и полностью учесть возможности привода при заданных динамических режимах движения машины.

Развитый на основе метода избыточных переменных подход может быть применен к шагающим машинам любой конструкции, с любым числом ног и с любым числом степеней подвижности каждой ноги. В эквивалентных системах дифференциальных уравнений в этом случае будет содержаться не один, а много произвольных коэффициентов, и для облегчения анализа системы следует использовать методы аналитического программирования.

181

При выходе из строя ног или их суставов можно перестроить алгоритм за счет использования возможностей гибких структур с избыточностью.

Робот, управляемый ЭВМ, является автоматической системой с большой самостоятельностью поведения. Это предъявляет особые требования к его надежности. Действительно, с ростом самостоятельности такой телеономической системы как робот, при неправильном его функционировании может быть нанесен большой ущерб окружающей его внешней среде. Поэтому необходим особый контроль при работе робота, с тем чтобы отключать его в случае грубых отклонений в его поведении.

Основной способ контроля за поведением робота – это примешивание специальных контрольных задач к тем задачам, которые робот должен решать, выполняя некоторую работу. Так как робот является многоцелевой системой, системой с избыточностью, то этот способ контроля осуществим за счет некоторого уменьшения числа основных задач, решение которых может быть заранее неизвестно.

Описанные выше принципы и алгоритмы опираются на практический опыт создания шагающих машин. Под руководством М. Б. Игнатьева шестиногая шагающая машина с вышеописанной кинематической схемой была построена в ЛИАП в 1968 г. по заказу фирмы В. П. Бармина для исследования Луны. Второй экземпляр этой экспериментальной машины находится в Международном институте кибернетики и артоники при ГУАП. В начале 90-х гг. финская фирма PLUSTECH построила шагающую машину для лесозаготовок. Эта мощная машина с установленным на ней манипулятором для спиливания деревьев и переноски стволов спиленных деревьев используется в Германии, Канаде и Финляндии в лесном хозяйстве.

В связи с планами освоения Луны проектируются лунные базы, важным при этом является необходимость учесть особенность лунных суток, ведь день и ночь на Луне длятся примерно по сто земных суток. Исходя из этого стационарная лунная база будет находиться в трудных условиях с большими колебаниями температуры и освещенности. Поэтому родилась идея построить мобильную лунную базу, чтобы база медленно перемещалась, находясь все время в сумеречной зоне. Для создания такой мобильной лунной базы лучше всего подходит шагающее шасси с вышеописанной кинематической схемой.

182

В настоящее время важным заказчиком на шагающие машины являются спортивные фирмы, которые занимаются экстремальными видами спорта.

Другим важным заказчиком на шагающие машины является «Газпром». Газопроводы протянулись на многие тысячи километров, они изнашиваются и деформируются и нуждаются в диагностике в процессе функционирования, когда по ним передаются большие потоки природного газа. Разработана конструкция шестиногого адаптивного робота, который не нуждается в системе энергообеспечения – энергию можно черпать прямо из газового потока. Эта энергия необходима для перемещения робота внутри трубы в газовом потоке, для работы систем диагностики, для передачи информации на контрольные станции. Робот и система энергообеспечения создают минимальное аэродинамическое сопротивление в трубе.

3.10. Роботы для игры в футбол

Еще в 1949 г. К. Шеннон впервые создал программу для игры в шахматы. С тех пор компьютерные шахматные программы многократно усовершенствовались. В 1974 г. советская шахматная программа «Каисса» завоевала мировое первенство. В 1999 г. шахматная программа выиграла матч с мировым чемпионом Каспаровым. Людям понадобилось 50 лет для создания таких совершенных программ, и теперь уже люди учатся у компьютера играть в шахматы. Помимо шахмат появилась другая амбициозная задача – создать для игры в футбол команду роботов и провести матч с командой людей-чемпионов. Теперь каждый год проходят мировые чемпионаты в двух лигах – в лиге моделирования игры в футбол и в лиге создания реальных роботов для игры в футбол. В ходе достижения этой очень сложной цели будет решено много важных научнотехнических задач, и в этом большая польза от участия в таких соревнованиях. В 2007 г. питерская команда заняла первое место на международных соревнованиях в лиге моделирования.

При моделировании таких игр, как шахматы и футбол, можно использовать лингво-комбинаторный подход. Рассмотрим простую футбольную ситуацию – два игрока и мяч, что можно описать как

Игрок 1 + игрок 2 + мяч.

183

Моделью этого выражения будет уравнение (2.3), где А1 – характеристика игрока 1; А2 – характеристика игрока 2; А3 – характеристика мяча; Е1–Е3– изменения этих характеристик соответственно. Эквивалентная система этих уравнений будет иметь вид (2.4), где, манипулируя произвольными коэффициентами, можно управлять поведением игроков и мяча. Если ввести новые переменные: А4 – характеристику расстояния между игроком 1 и мячом; А5 – характеристику расстояния между игроком 2 и мячом и их изменения соответственно, то тогда вместо уравнения (2.4) получим уравнение

А1*Е1 + А2*Е2 + А3*Е3 + А4*Е4 + А5*Е5 = 0,

разрешив которое относительно изменений Е получим систему уравнений

E1 = U1*A2 + U2*A3 + U3*A4 + U4*A5;

E2 = – U1*A1 + U5*A3 + U6*A4 + U7*A5;

E3 = – U2*A1 – U5*A2 + U8*A4 + U9*A5;

E4 = – U3*A1 – U6*A2 – U8*A3 + U10*A5;

E5 = – U4*A1 – U7*A2 – U9*A3 – U10*A4,

где U1, …, U10 – произвольные коэффициенты, манипулируя которыми можно обеспечить сближение игроков с мячом. Аналогичным образом моделируется поведение двух команд по 11 игроков в каждой.

3.11. Проблемы создания роботизированного автомобиля для повышения безопасности движения5

В настоящее время в Санкт-Петербурге располагаются филиалы 7 крупнейших автомобильных компаний, которые занимаются проблемой создания роботизированных автомобилей совместно с вузами города. Тема обеспечения безопасности автомобиля, участников движения и окружающих актуальна с момента создания первого автомобиля и будет оставаться актуальной до тех пор, пока существуют автомобили.

Жизнь и трудовая деятельность людей неразрывно связаны с транспортом, без которого был бы невозможен технический и соци-

5 В написании этого раздела принимал участие аспирант В. Кушнер.

184

альный прогресс. Автомобиль – одна из самых распространенных машин в мире, число автомобилей растет, и автомобили непрерывно совершенствуются, постепенно превращаясь в роботы. Эта тенденция обусловлена, с одной стороны, усложнением обстановки на дорогах и требованием повысить безопасность, комфортность и экологичность, с другой, – новыми возможностями информационновычислительной техники.

Первые вычислительные управляющие комплексы сначала появились в авиации, потом они появились на морских кораблях, а теперь они внедряются в автомобили. Вначале это были микропроцессорные системы для управления двигателем, что позволило снизить расход горючего и уменьшить загрязнение окружающей среды. Потом появились подвески с компьютерным управлением, что позволило повысить безопасность. Появились электронные карты для облегчения ориентации водителя с использованием спутниковых систем типа ГЛОНАСС.

Разработка робота-автомобиля с возможностью ориентации в сложной городской среде без помощи человека – это новый шаг в совершенствовании и автомобиля, и информационновычислительных систем для восприятия и обработки зрительной информации о ситуации впереди, позади, справа и слева от автомобиля, для распознавания образов объектов, которые могут появиться с разных сторон, для оценки состояния дороги, для восприятия информации о дорожных знаках и т. д. Накоплен большой научнотехнический задел по этим направлениям кибернетики, который может быть с успехом реализован в проекте экспериментального робота-автомобиля. Реализация этого проекта позволяет дополнительно развить эти важные научно-технические направления, к чему проявляют интерес иностранные автомобильной фирмы, размещенные в Санкт-Петербурге.

Цель проекта – разработка экспериментального питерского робота-автомобиля для участия в международных соревнованиях в США и других странах.

Проект состоит из следующих частей. 1. Выбор базовой модели автомобиля.

2. Разработка автоматизированных приводов на руль, тормоза и другие устройства автомобиля.

3. Разработка сенсорной системы автомобиля. Оснащение ав-

томобиля лазерными системами, видеокамерами, тактильными и ультразвуковыми устройствами для получения информации об

185

окружающей обстановке и о состоянии дороги. Оснащение автомобиля сенсорами для получения информации о двигателе и других устройствах автомобиля.

4. Разработка системы ориентации автомобиля. Эта система должна работать на основе комплексирования информации с гироскопов, системы ГЛОНАСС, электронной карты, систем распознавания наиболее заметных объектов по трассе движения и элементов искусственного интеллекта

5. Разработка вычислительной системы автомобиля. Инфор-

мация с многочисленных датчиков должна обрабатываться с помощью многопроцессорного вычислительного комплекса повышенной надежности. Может быть использована авиационная вычислительная система последнего поколения.

6. Моделирование робота-автомобиля при перемещении в городской среде методами технологии виртуальных миров.

7. Создание полигона для испытания робота-автомобиля.

Эта разработка вдохновляется впечатляющими результатами испытания роботов-автомобилей в калифорнийском городе Викторвиль в 2007 г.

В России, где, как ни в одной другой стране мира, за последнее время резко увеличился поток автомобилей, ежегодный рост автомобильного парка составляет около 10%. Быстрое увеличение численности автомобильного парка сопровождается ростом числа пострадавших от ДТП. Если к началу XX в. во всем мире было около 6 тыс. автомобилей,тов настоящеевремямировойавтомобильныйпаркнасчитывает свыше 520 млн единиц (из них примерно 75% – легковые автомобили). По данным статистики ООН, ежегодно от автомобильных аварий во всех странах погибает около 300 тыс. человек и около 10 млн получают телесные повреждения. Относительная опасность автомобиля превышает относительную опасность воздушного транспорта более чем в 3 раза, а железнодорожного – в 10 раз. На 1 млрд пассажиро-километров на автомобильном транспорте приходится 20 погибших, на воздушном – шесть, на железнодорожном – два. По сравнению со странами с развитой рыночной экономикой в России количество ДТП на 1000 ТС в 7–10 раз выше, чем в США, Японии, Германии, Франции, Финляндии и других странах. Реализация в США с 1968 г. и Японии с 1970 г. законов «О безопасности дорожного движения» и принятых на их основе национальных программ сокращения аварийности позволила значительно сократить число раненых и погибших при продолжающемся увеличении автопарка.

186

Проблема обеспечения безопасности движения на улицах и дорогах должна рассматриваться в рамках сложной системы дорожного движения. Термин «дорожное движение» охватывает всю сложную динамическую систему, которая образуется на дороге взаимодействием и совокупностью участников движения: пешеходами, велосипедистами, мотоциклистами, водителями автомобилей – профессионалами и любителями. Естественно, что безопасность дорожного движения зависит от обученности, дисциплинированности и правильности поведения всех участников движения, а не только представляющих автомобильный транспорт. В этом заключается одна из основных причин сложности обеспечения безопасности движения как на самом автомобильном транспорте, так и в дорожном движении в целом. Это обстоятельство можно характеризовать как недостаточную изоляцию автомобильного движения от окружающей среды. Если бы движение автомобилей повсеместно происходило по путям, где не было бы движения пешеходов, велосипедистов, тихоходных ТС, задача обеспечения безопасности намного бы упростилась.

Другим фактором, обуславливающим сложность решения проблемы обеспечения безопасности движения, является все увеличивающийся разрыв между ростом численности парка автомобилей и протяженностью улично дорожной сети; первая опережает вторую на целый порядок, что характерно практически для всех стран. Если парк автомобилей увеличивается примерно на 10% в год, то прирост протяженности дорог не превышает 1%. Следствием этого является постоянное увеличение стесненности дорожного движения, а следовательно, резкое учащение непосредственных контактов, взаимодействия участников движения, которое во многих случаях носит характер конфликтных ситуаций, часто перерастающих в ДТП.

Если выделить из системы дорожного движения только ее транспортную часть, т. е. комплекс «водитель – автомобиль – дорога – среда», то можно отметить, что совершенствование этого комплекса в плане повышения безопасности движения также зависит не только от деятельности транспортных организаций. Так, совершенствование конструкций ТС осуществляется заводамиизготовителями и их смежниками, например, предприятиями шинной промышленности. Полностью самостоятельной областью является строительство и реконструкция дорог, улиц, дорожнотранспортных сооружений. Однако при более глубоком рассмо-

187

трении и здесь можно проследить связь с деятельностью автомобильного транспорта, например, почти всякое усовершенствование конструкции ТС дает конечный эффект не только в зависимости от уровня конструкторской и технологической их разработки, но также и от того, насколько грамотно эти усовершенствования использованы в эксплуатации.

Поскольку полностью избежать ДТП пока не представляется возможным, автомобиль совершенствуется в направлении снижения вероятности аварии и минимизации ее последстий. Этому способствуют ужесточения требований к безопасности автомобиля со стороны организаций, занимающихся анализом и практическими опытами. Такие мероприятия дают свои положительные «плоды». С каждым годом автомобиль становиться безопасней – как для тех, кто находится внутри его, так и для пешеходов. Понятие «безопасность автомобиля» делится на две части – АКТИВНУЮ и ПАССИВНУЮ безопасность. Активная безопасность автомобиля – это совокупность конструктивных и эксплуатационных свойств автомобиля, направленных на предотвращение ДТП и исключение предпосылок их возникновения, связанных с конструктивными особенностями автомобиля. А если говорить проще, то это те системы автомобиля, которые помогают в предотвращении аварии. Пассивная безопасность автомобиля должна обеспечивать выживание и сведение к минимуму количество травм у пассажиров автомобиля, попавшего в ДТП. На рис. 3.28 приведен перечень параметров и систем автомобиля, влияющих на его безопасность.

ªБКЛ¾ЕФ º¾АЗИ¹КЖЗКЛБ

ªБКЛ¾ЕФ ¹ГЛБ»ЖЗВ º¾АЗИ¹КЖЗКЛБ ªБКЛ¾ЕФ И¹ККБ»ЖЗВ º¾АЗИ¹КЖЗКЛБ

Рис. 3.28. Структура безопасности автомобиля

188

Для обеспечения безопасности автомобиля необходимо создать такую ситуацию, когда автомобили не попадают в аварии. В настоящее время для достижения такой ситуации активно развивается направление – «интеллектуальный» автомобиль (Intelligent Car).

Креализации этого проекта привлекаются огромные ресурсы.

Интеллектуальный автомобиль.

Идея«интеллектуальногоавтомобиля»состоитв созданиитакой

ситуации,когдаавтомобилинепопадаютв аварии,гдепробкирезко сокращены, автомобили энергоэффективны и меньше загрязняют окружающую среду. Сегодня информационно-коммуникационные технологии (ICT – Information and Communications Technologies)

являются отправной точкой для реализации этого проекта. Автомобиль становиться умнее, помогая уменьшить проблемы автомобильного транспорта.

Интеллектуальные системы могут помочь решить многие проблемы автомобильного транспорта. Они смогут помочь водителям избежать аварии и даже вызвать аварийно-спасательные службы автоматически в случае аварии. Также они могут быть использованы в электронных системах управления движением и оптимизации работы двигателя, тем самым повышая энергоэффективность и сокращая загрязнение окружающей среды.

Примером широко и хорошо известного «интеллектуального» устройства можно привести антиблокировочную тормозную систему, которая предотвращает блокировку колес при торможении и, следовательно, помогает водителю в удержании машины под контролем. Примером для усовершенствования системы будет электронный помощник торможения. Эта система будет помогать водителю более эффективно производить торможение и даже сможет сама остановить автомобиль, если столкновение будет неизбежным

инет реакции водителя.

Вданном направлении ведутся огромные работы. Европейской комиссией была создана политическая инициатива под одноименным названием в рамках объединения всех мероприятий, связанных с «интеллектуальным автомобилем». Инициатива «Интеллектуальный автомобиль» была основана Комиссией коммуникаций

(Commission Communication) 15 февраля 2006 г. и представлена общественности в Брюсселе. Ее цель – повысить безопасность дорожного движения в Европейском союзе и, в частности, сократить число смертных случаев на дорогах и дорожных аварий (ежегодно более 40 и 1,2 млн аварий на дорогах Союза), сократить количество

189

пробок и снизить потребление топлива и выбросов CO2. Из-за большого количества и разнообразия возможных видов деятельности и мероприятий в области «умный» автомобиль, Комиссия сообщила в своем первом обзоре «Инициатива Интеллектуальный автомобиль», что она будет уделять приоритетное внимание четырем особенно важным задачам. К ним относятся:

– введение в период с сентября 2010 г. пан-европейской автоматической системы экстренного вызова eCall;

– обязательная установка электронных систем контроля устой-

чивости (ESC – Electronic stability control) на всех новых автомоби-

лях, начиная с 2014 г.; – усиление акцента на уменьшение потребления топлива и со-

кращения выбросов CO2;

– безопасные фиксация и использование в автомобиле мобильных электронных потребительских продуктов, таких как мобильные телефоны или системы навигации.

«Интеллектуальный автомобиль» относится к широкому спектру основанных на информационных технологиях (ИТ) автономных или кооперативных систем. Некоторые уже находятся в эксплуатации (ABS, ESC), другие находятся в стадии разработки или внедряются на рынок. Ниже представлен список основных технологий:

1. Anti-lock Braking System (ABS); 2. Adaptive Cruise Control (ACC); 3. Adaptive Headlights;

4. Lane Change Assistant / Blind Spot Detection; 5. Driver Drowsiness Monitoring and Warning; 6. Dynamic Traffic Management;

7. eCall;

8. Electronic Brake Assist System; 9. Electronic Stability Control (ESC); 10. Extended Environment Information; 11. Gear Shift Indicator;

12. Intersection Assistant (not yet commercially available); 13. Lane Departure Warning;

14. Local Danger Warning; 15. Night Vision;

16. Obstacle and Collision Warning;

17. Pedestrian/ Vulnerable Road User Protection (not yet commercially available);

190