Номер государственного контракта по гранту: № 19-58-70002

Общее руководство проектом: Евгений Аркадьевич Магид (РФ)

Руководители национальных команд: Е. А. Магид (РФ), Fumitoshi Matsuno (Япония), Jackrit Suthakorn (Таиланд)

Рисунок 1.  Гетерогенные распределенные группы роботов собирают информацию, необходимую для создания отдельных тематических карт, которые затем будут объединены в многослойную карту зоны бедствия.

На Рис. 1 представлена общая идея предлагаемого проекта. Гетерогенные группы роботов будут работать как отдельные национальные команды (которые в свою очередь могут быть разбиты на распределенные подгруппы), снабжая данными централизованную информационную систему управления чрезвычайными ситуациями. Роботы будут выполнять задачи построения тематических карт района бедствия с поверхности воды, под водой, с воздуха и с земли, включая исследования разрушенных зданий. На Рис. 2 представлено распределение независимых задач между национальными командами и их взаимодействие по общим задачам в рамках проекта. Сами задачи, взаимодействие и синергия национальных команд в целях успешного выполнения общей задачи проекта подробно описаны в основной части заявки.

Рисунок 2. Предлагаемая информационная система и план совместных исследований: значком R отмечены задачи российской команды, J - задачи японской команды, T - задачи команды Таиланда.

В странах Азии, включая Азиатскую часть Российской Федерации, наблюдается высокий уровень риска возникновения стихийных бедствий, среди которых наводнения являются наиболее частыми и несущими самые тяжелые потери с точки зрения человеческих жертв и экономики. Поэтому разработка информационной системы (ИС) управления процессом ликвидации последствий стихийных бедствий, позволяющей повысить эффективность и скорость устранения последствий, является сегодня одной из самых актуальных и востребованных задач, стоящих перед научным сообществом.

Три страны, участвующие в выполнении проекта - Российская Федерация, Таиланд и Япония - в определенные времена года находятся в зоне риска наводнений и оползней, вызванных проливными дождями и быстрым таянием больших объемов снежного покрова. Используя многолетний опыт наших трех национальных команд в поисково-спасательной робототехнике для ликвидации последствий стихийных бедствий, в рамках предлагаемого проекта будет разработана роботизированная ИС сбора данных для эффективного управления чрезвычайными ситуациями в зоне стихийных бедствий.  Основной целью проекта является разработка и апробация прототипа ИС, которая затем может стать международным стандартом при ликвидации как национальных, так и международных стихийных бедствий.

ИС будет осуществлять сбор данных при помощи распределенных гетерогенных групп робототехнических комплексов, включающих различные типы беспилотных летательных аппаратов (БЛА), беспилотных наземных роботов (БНР), автономных безэкипажных кораблей (БЭК) и автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА). Отдельные карты, построенные распределенными группами роботов, будут объединены в единую многослойную тематическую карту зоны бедствия, которая поможет поисково-спасательным группам ускорить процессы эвакуации выживших, позволит оценить уровень опасности дальнейшего разрушения зданий и загрязнения окружающей среды, что в свою очередь значительно повысит шансы спасения выживших и увеличит безопасность спасателей во время поисковых работ.

Разрабатываемые в рамках проекта новые стратегии управления, интерфейсы, протоколы, модели роботов, алгоритмы и программное обеспечение будут тестироваться как при помощи моделирования, так и в рамках полевых экспериментов. Для демонстрации эффективности ИС, разрабатываемой в рамках проекта, ее апробация будет проводиться в сотрудничестве с местными органами власти каждой из трех стран. В результате проекта будет усовершенствовано понимание механизмов, связанных с технологически обоснованным принятием решений для эффективного управления чрезвычайными ситуациями. Разработка и внедрение роботизированных инструментов нового поколения для борьбы со стихийными бедствиями, остро востребованных международными и национальными агентствами по чрезвычайным ситуациям, внесут огромный вклад в научное, технологическое и промышленное развитие общества.

Научная новизна исследования, заявленного в Проекте:

В рамках проекта будет разработан и апробирован уникальный прототип не имеющей аналогов роботизированной информационной системы (ИС) управления процессом ликвидации последствий стихийных бедствий.

Нашими международными коллективами будет разработана новая рабочая платформа и новые стратегии управления совместным поведением гетерогенных роботов при выполнении задач сбора информации, мониторинга и картографирования крупномасштабных зон стихийного бедствия, включающей в себя наземные, подводные и воздушные области, подверженные стихийным бедствиям, в частности наводнениям и оползням, вызванными проливными дождями. Новые стратегии управления, новые интерфейсы, новые протоколы взаимодействия и обмена данными между гетерогенными роботами будут протестированы в моделировании и верифицированы в рамках полевых экспериментов. 

На более низком уровне иерархии проекта мы планируем разработку новых алгоритмов одновременной локализации и построения карты (SLAM) для гетерогенной группы роботов в условиях стихийного бедствия, новых алгоритмов планирования маршрута для эффективного покрытия площадей в неструктурированной среде после стихийного бедствия и новых алгоритмов автономного возвращения роботов при потере связи. Более того, мы ожидаем, что наше совместное исследование роботизированных систем, работающих в условиях оползней, в перспективе приведет к созданию нового класса мобильных транспортных средств с использованием новых принципов управления. Также как разработка макросимуляторов (находящихся в зоне ответственности японской команды) на основе ГИС и графического пользовательского интерфейса может создать условия для нового направления в области виртуальной реальности, занимающегося моделированием чрезвычайных ситуаций. В случае успешного выполнения проекта, при помощи новых научно-практических решений, будет усовершенствовано понимание механизмов, участвующих в технологически обоснованных решениях для эффективного управления чрезвычайными ситуациями в международном масштабе.

За период первого этапа (2019 г.) были получены следующие результаты, направленные на реализацию Проекта:

1. Был разработан протокол обмена данными, включающий в себя мотивацию разработки протокола обмена данными в условиях поисково-спасательной операции, условия поисково-спасательной операции. Данный протокол был представлен группами ученых из Японии и Таиланда. Протокол базируется на анализе и систематизации условий, в которых он должен использоваться, и требований, которые к нему выдвигаются. Требования к протоколу мотивированы условиями, в которых он должен быть применим: они включают в себя и технические требования, и соображения применимости на практике большим количеством специалистов из разных стран. Большое внимание уделяется избеганию ошибок, допущенных в сходных проектах, и обеспечению простоты имплементации на большом количестве роботов с разным аппаратным и программным обеспечением. 

Данный протокол является универсальным, и планируется к внедрению в Японской и Тайландской командах исследователей.

2. Мобильные робототехнические комплексы (РТК) лаборатории были реализованы в среде ROS\Gazebo:                             

Данные роботы были впервые реализованы в среде моделирования ROS\Gazebo.

3. Было разработано программное обеспечение для генерации сред и загрязнений (микросимулятор №1). Данное ПО было протестировано согласно разработанным методикам тестирования на реализованных в среде моделирования РТК.  Разработка велась на языке программирования С++ в операционной системе Ubuntu 16, основанной на ядре Linux. В его функционал входят:

Микросимулятор является модульным программным обеспечением, в который можно добавлять новый функционал. Его код задокументирован и открыт для использования.

Данное ПО является оригинальным и не имеет аналогов.

4. Было разработано программное обеспечение для моделирования ошибок и сбоев датчиков (микросимулятор №2). Данное ПО было интегрировано в микросимулятор №1 и протестировано согласно разработанным методикам тестирования на реализованных в среде моделирования РТК.

Разработка велась на языке программирования С++ в операционной системе Ubuntu 16, основанной на ядре Linux. В его функционал входят:

Данное ПО является оригинальным и не имеет аналогов.

5. Было подобрано и приобретено специальное оборудование и комплектующие. Помимо этого, национальная команда России провела пуско-наладочные работы и пилотные испытания оборудования в тех случаях, когда они были необходимы.

6. Были подведены итоги работы за 2019 год. Публикации, собранные в рамках отчета по гранту за 1 год, сотрудничество с зарубежными партнерами, а также научные мероприятия, направленные на освещение и популяризацию промежуточных результатов проекта, были проанализированы.