Распечатать запись Распечатать запись

Иногда самый быстрый путь не проходит по прямой

Благодаря новым методам и программному обеспечению, разработанным в Массачусетском технологическом институте, можно прокладывать оптимальные пути для автоматических подводных аппаратов.

Иногда самый быстрый путь из точки A в точку B не проходит по прямой: например, если вы под водой и боретесь с сильными переменными течениями. Но найти лучший маршрут в таких условиях — очень сложная задача — особенно если вы пытаетесь делать это не только для одного подводного аппарата, а для нескольких, перемещающихся одновременно в разных направлениях.

Но именно эту задачу удалось решить команде инженеров из Массачусетского технологического института. Результаты исследований будут представлены в мае на ежегодной Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации. Командой во главе с Пьером Лермизье, доцентом Доэрти, занимающимся использованием океана, разработан математический алгоритм, который позволяет оптимизировать планирование маршрутов автоматических подводных аппаратов (ПА) даже в регионах со сложной береговой линией и сильными переменными течениями. Система может оптимизировать пути по различным критериям: минимизировать время в пути или использование энергии, или сделать возможным собрать максимальное количество данных, которые считаются наиболее важными.

Группы самоходных ПА (с пропеллерами или водометами) и скользящих ПА (также называемых глайдерами) в настоящее время часто используется в картографии и океанографических исследованиях, в целях военной разведки и защиты гавани, или для обслуживания глубоководных нефтяных скважин и реагирования на чрезвычайные ситуации. “Пока были развернуты флоты до 20 таких ПА, но в ближайшие годы могут появиться гораздо большие флоты таких устройств’’, — говорит Лермизье. — “что сделает численные расчеты при планировании оптимальных путей намного сложнее’’.

Он добавляет, что более ранние методы нахождения оптимальных путей для подводных аппаратов были или не точны, не в состоянии справиться с изменением течений и сложным рельефом, или требовали такую вычислительную мощность, что невозможно было применять их для управления в реальном времени группой роботизированных транспортных средств.

Хотя исследователи изучали такие системы в течение многих лет , “но не хватало методологии и алгоритма’’, — говорит он. Математика позволяет компьютеру решить задачу планирования пути строго, но достаточно быстро, чтобы решение могло быть полезным в реальной жизни. “Поскольку океан является настолько сложной средой’’, — говорит он, — “что не хватало интеграции его прогнозирования, оценки, контроля и оптимизации’’ для планирования пути нескольких транспортных средств в условиях постоянно меняющейся ситуации. Это то, что в настоящее время сделано Междисциплинарной группой по разработке систем моделирования, оценки и освоения Массачусетского технологического института (MSEAS) во главе с Лермизье.

С помощью моделирования новые алгоритмы были успешно протестированы в очень сложных условиях — в том числе в районе Филиппин среди тысячи островов со сложной береговой линией, мелководьем и многочисленными переменными течениями. Был смоделирован виртуальный флота в 1000 ПА, с перемещением одного или нескольких судов, имеющих различные цели. О сложности: разработанная система может учитывать даже “запретные’’ зоны — области, которые аппарат должен избегать — и неподвижные препятствия, которые влияют как на ПА, так и на течения, и даже движущиеся препятствия, такие как проплывающие мимо суда.

Воспользовавшись “бесплатным проездом’’, предлагаемым течениями, устройства часто следуют на удивление обходными путями, извилистыми, с петлями и изгибами, которые иногда напоминают случайное блуждание. Это потому, что может быть гораздо быстрее проплыть по течению и затем повернуть обратно, чем пытаться двигаться по прямой, все время борясь с течением. В других случаях ПА может найти более быстрый и более энергоэффективный путь, поднимаясь выше или спускаясь глубже, обходя струи воды, течения, вихри и другие особенности океана. Могут быть учтены неопределенности в океанических прогнозах и их влияние на оптимальные пути.

По словам Лермезье, в дополнение к поиску наиболее быстрых или эффективных путей, система позволяет группам транспортных средств, собирающих данные, собрать наиболее полезную информацию в кратчайшие сроки. Этот подход оптимизации данных может быть полезен для мониторинга рыболовства или для биологических или экологических исследований — например, помочь Национальному научному фонду, предпринимающему усилия, чтобы охарактеризовать обрыв шельфа в Новой Англии — области, важной для рыболовства и исследования климата в регионе.

Хотя методология и алгоритмы разработаны для подводной среды Лермизье думает, что подобные вычислительные системы могут использоваться при расчете путей автоматических транспортных средств через любые препятствия и потоки — например, для летательных аппаратов, которым мешают ветры и горы. Такие системы могли бы помочь даже миниатюрным медицинским роботам перемещаться по кровеносной системе.

Алгоритм позволяет в режиме реального времени проводить контроль и корректировки — например, для нахождения источника потока загрязнений или определения, как он распространяется. Система может также включать функцию уклонения от препятствия для защиты ПА.

В состав группы входили аспиранты Тапован Лолла и Мэттью Уэкерманн, Конуралп Йигит, а также ученые-исследователи Патрик Хейли и Уэйн Лесли. Работа финансировалась Управлением военно-морских исследований и Программой морских грантов колледжа МТИ.

Глен Гаваркевич, старший научный сотрудник океанографического института в Вудс-Хоуле, не участвующий в исследованиях, говорит: “Эта работа имеет большое значение. Она вносит строгость в трудную задачу проектирования маршрутов для автономных транспортных средств. Поскольку возможности и количество автономных транспортных средств увеличиваются, эта методика будет важным инструментом как в области океанографии, так и в других областях’’.

Источник: http://web.mit.edu/newsoffice/2012/underwater-swarms-robots-0308.html

Оставьте свой отзыв

Добавить изображение