پیشرفت پردازش سیگنال در روبات ها و استقلال

قابلیت های روبات ها و سیستم های خودمختار طی سالهای گذشته به طرز چشمگیری افزایش یافته است. این داستان موفقیت تا حدودی به پیشرفت در پردازش سیگنال بستگی دارد که تجزیه و تحلیل مناسب و کارآمد داده های سنسور را ارائه می دهد و استقلال را فعال می کند.

یک عنصر اصلی انتقال خروجی پردازش سیگنال به سوء استفاده از آن در داخل روبات ها و سیستم های خودمختار نحوه مدیریت عدم اطمینان است: عدم اطمینان ناشی از داده های سنسور کافی ، عدم اطمینان در مورد اثرات اقدامات خودمختار آینده ، و در صورت وجود سنسورهای توزیع شده و محرک های توزیع شده(مانند تیمی از روبات ها) ، عدم اطمینان در مورد خطوط ارتباطی.

هدف از این موضوع ویژه تمرکز بر تحولات اخیر است که امکان عبور از این مسیر انتقال را با موفقیت فراهم می کند ، نشان می دهد که از کجا پردازش سیگنال در روباتیک و استقلال استفاده می شود یا اینکه روباتیک و استقلال خواسته های خاصی داشتند که قبلاً توسط پردازش سیگنال برآورده نشده بودند.

مقالات موجود در این شماره ویژه موضوعات زیر را در بر می گیرد.

"طراحی محور وکتور برای طرح های پردازش و کنترل سیگنال سبک وزن برای ناوبری رباتیک خودمختار" ، "ناوبری وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین مبتنی بر دید با استفاده از اطلاعات مربوط به ژئو ارجاع" ، "ارزیابی خودکار از نقاط دیدنی برای به روزرسانی ناوبری مبتنی بر تصویر" و "خالص خالصردیابی مسیر واکنشی برای روبات های موبایل غیر هولونیک با اسکنر لیزر 2 بعدی. "

تیم های ربات و اکتشاف

"نظارت بر منطقه مشارکتی با استفاده از شبکه های سنسور بی سیم با گره های ثابت و موبایل" و "یک روش متداول/روش تولید جهت هدایت برای یک چرخش ربات با تنها مبتنی بر RSSI."

برنامه های ردیابی هدف

"خود کانال سازی و میدان جریان مبتنی بر ردیابی شیء متحرک تا حدی قابل مشاهده ،" "یک چارچوب POMDP برای راهنمایی هماهنگ پهپادهای خودمختار برای ردیابی چندتایی" و "پیگیری چند هیپوتز اولویت بندی شده توسط یک روبات تلفن همراه".

N. J. Mathai و همکاران. حل مشکل تحقق پردازش سیگنال سبک وزن و معماری های کنترل برای عوامل در سیستم های چند روبات. آنها طراحی یک طرح پردازش سیگنال آنالوگ را ارائه می دهند. آنها از تئوری کنترل و سیستم های دینامیکی هم به عنوان زبان توصیف و هم به عنوان یک مجموعه ابزار ترکیبی برای توسعه دقیق ماشین های محاسباتی استفاده می کنند. این مکانیسم ها با بینش های ساختاری از رباتیک مبتنی بر رفتار برای ترکیب معماری های الگوریتمی کلی ترکیب می شوند. دیدگاه آنها این است که رفتارهای روباتیک شامل اقداماتی است که توسط یک عامل انجام می شود تا درک حسی آن از محیط به شیوه ای مطلوب تکامل یابد. برای ارائه یک کمک شهودی برای طراحی این موارد اولیه رفتاری، آنها یک ابزار بصری جدید، طراحی میدان برداری الهام گرفته شده را ارائه می دهند که به طراح کمک می کند تا از پویایی محیط بهره برداری کند. آنها نتایج شبیه سازی و فیلم های انیمیشن را برای نشان دادن معماری پردازش سیگنال و کنترل در عمل ارائه می دهند.

G. Conte و همکاران. امکان تقویت سیستم ناوبری وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) با دوربین فیلمبرداری غیرفعال به منظور مقابله با قطعی طولانی مدت GPS را بررسی کنید. مقاله آنها یک معماری ناوبری مبتنی بر دید را پیشنهاد می کند که حسگرهای اینرسی، کیلومتر شماری بصری، و ثبت ویدیوی داخل هواپیما را به یک تصویر هوایی ارجاع داده شده جغرافیایی ترکیب می کند. سیستم ناوبری با کمک دید توسعه یافته قادر به برآورد وضعیت با نرخ بالا و بدون رانش برای ناوبری خودکار پهپاد بدون سیستم GPS است. با توجه به استفاده از ثبت تصویر به نقشه برای محاسبه موقعیت مطلق، عملکرد موقعیت بدون رانش به ویژگی های ساختاری زمین بستگی دارد.

ارزیابی تجربی رویکرد بر اساس داده های پرواز خارج از خط ارائه شده است. علاوه بر این، معماری پیشنهادی به عنوان یک سکوی آزمایشی هلیکوپتر پهپاد در هواپیما پیاده سازی شده و در طول پروازهای خودمختار مبتنی بر دید آزمایش شده است.

اس. لانگ و همکارانارزیابی خودکار نشانه ها برای به روزرسانی های ناوبری مبتنی بر تصویر را بررسی کنید.

مأموریت موفق یک سیستم هوایی مستقل مانند یک وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین به شدت به پیمایش دقیق آن بستگی دارد. در حالی که GPS همیشه در دسترس نیست و تخمین مطرح فقط بر اساس رانش های واحد اندازه گیری اینرسی است ، ناوبری مبتنی بر تصویر ممکن است به یک دستگاه اندازه گیری اضافی ارزان و قوی تبدیل شود. برای به روزرسانی واقعی ناوبری آنها از یک رویکرد مبتنی بر نقاط دیدنی استفاده می کنند. آنها دریافتند که ضروری است که نقاط دیدنی استفاده شده به خوبی انتخاب شوند. بنابراین ، آنها رویکردی را برای ارزیابی نقاط دیدنی از نظر فاصله تطبیق معرفی می کنند ، که حداکثر جابجایی در موقعیت نقاط دیدنی است که می تواند اصلاح شود. آنها ارزیابی ها را با یک سیستم بازسازی سه بعدی که روی داده های ضبط شده از هلیکوپتر کار می کند ، تأیید می کنند.

J. Morales و همکاران. کاربرد روش ردیابی مسیر خالص را برای ردیابی واکنشی مسیرهایی که به طور ضمنی توسط ویژگی های محیطی درک شده تعریف می شوند ، بررسی کنید. با توجه به سادگی و کارآیی آن ، روش ردیابی مسیر خالص به طور گسترده ای برای ناوبری برنامه ریزی شده وسایل نقلیه زمینی غیر هولونیک استفاده شده است. نقاط هدف از طریق تفسیر کارآمد از داده های دامنه از یک اسکنر لیزر 2D پردازنده برای دنبال کردن افراد ، راهروها و دیوارها بدست می آید. علاوه بر این ، این فرمول اجازه می دهد تا یک مأموریت روباتیک از ترکیبی از انواع مختلف بخش های مسیر تشکیل شود. آنها با موفقیت این تکنیک ها را در یک محیط داخلی آزمایش کرده اند.

تیم های ربات و اکتشاف

تی لامبرو و همکارانوظیفه نظارت مشترک منطقه را با استفاده از شبکه های حسگر بی سیم با گره های ثابت و متحرک برطرف کنید. نظارت بر یک منطقه بزرگ با شبکه های حسگر ثابت نیاز به تعداد بسیار زیادی گره دارد که با تکنولوژی فعلی هزینه گزافی را به همراه دارد. انگیزه کار آنها توسعه معماری است که در آن مجموعه ای از حسگرهای متحرک با حسگرهای ثابت همکاری می کنند تا به طور قابل اعتماد یک رویداد را شناسایی و مکان یابی کنند. ایده اصلی این معماری مشترک این است که حسگرهای متحرک باید از مناطقی که کمترین پوشش (نظارت) توسط سنسورهای ثابت را دارند نمونه برداری کنند. علاوه بر این، هنگامی که حسگرهای ثابت "شک" دارند که ممکن است رویدادی رخ داده باشد، آن را به یک حسگر متحرک گزارش می دهند که می تواند به منطقه مشکوک نزدیکتر شود و می تواند تأیید کند که رویداد رخ داده است یا خیر. یکی از اجزای مهم معماری پیشنهادی این است که گره های متحرک به طور مستقل مسیر خود را بر اساس اطلاعات محلی (باورها و اندازه گیری های خودشان و همچنین اطلاعات جمع آوری شده از حسگرهای ثابت در یک محله اطرافشان) تعیین می کنند.

اس. هارا و همکاران. یک روش متداول تولید مختصات/جهت جهت برای یک ربات ازدحام با محدوده مبتنی بر نشانگر قدرت سیگنال دریافتی ارائه کنید. در کنترل حرکت ازدحام میکروربات ها، یک مسئله کلیدی این است که چگونه می توان مجموعه ای از مختصات مشترک بین همه روبات ها را به طور مستقل تولید کرد و به هر ربات از جهت حرکت خود در مختصات مشترک تولید شده، بدون هیچ دستگاه خاصی برای تخمین مکان و یاتاقان اطلاع داد. نویسندگان مجموعه ای از مختصات مشترک و یک روش تولید جهت جهت را برای یک ربات ازدحام با تنها نشانگر قدرت سیگنال دریافتی (RSSI) که از طریق ارتباطات بی سیم اندازه گیری می شود، پیشنهاد می کنند. آنها اصل روش پیشنهادی را توضیح می دهند و برخی از نتایج شبیه سازی کامپیوتری را در مورد خطاهای تخمین مکان و جهت نشان می دهند. در نهایت، نتایج تجربی استفاده از گروهی متشکل از پنج روبات با استاندارد IEEE 802. 15. 4 را به عنوان ابزار ارتباطی بی سیم آن نشان می دهد.

برنامه های ردیابی هدف

K.-S. Tseng و همکاران. یک الگوریتم برای خودآزمایی خود و میدان جریان مبتنی بر ردیابی شیء متحرک قابل مشاهده است. کانون سازی خود و ردیابی شیء فن آوری های کلیدی برای تعامل انسان-روبات است. بیشتر الگوریتم های ردیابی قبلی بر نحوه تخمین صحیح موقعیت ، سرعت و شتاب یک شیء متحرک بر اساس وضعیت قبلی و اطلاعات سنسور متمرکز شده اند. آنچه تاکنون به ندرت مورد مطالعه قرار گرفته است این است که چگونه یک ربات می تواند در صورت عدم وجود تجزیه و تحلیل پیش از مسیرهای شیء ، با موفقیت در حرکت جزئی قابل مشاهده با یاب لیزر پیگیری کند. در این حالت ، الگوریتم های ردیابی سنتی ممکن است منجر به برآورد واگرا شود. نویسندگان یک الگوریتم ردیابی شیء متحرک را که تا حدی قابل مشاهده است و برای برنامه های ربات تعاملی قابل مشاهده است ، معرفی می کنند. متفاوت از کار قبلی ، آنها یک مدل حرکت مبتنی بر میدان را اتخاذ می کنند و آن را با فیلتر ذرات Rao-Blackwellized (RBPF) ترکیب می کنند تا هدف شیء را مستقیماً پیش بینی کنند. این الگوریتم می تواند با استنباط نیروی تعاملی بین هدف شیء و ویژگی های محیطی پیش بینی موقعیت شی را حفظ کند. نتایج تجربی نشان می دهد که ربات با الگوریتم پیشنهادی می تواند خود را بومی سازی کرده و شیء غالباً انسداد را ردیابی کند. در مقایسه با الگوریتم های سنتی فیلتر Kalman و فیلتر ذرات سنتی ، پیشنهادی به طور قابل توجهی دقت ردیابی را بهبود می بخشد.

S. میلر و همکاران. در مورد کاربرد نظریه فرآیندهای تصمیم گیری Markov تا حدی قابل مشاهده (POMDPS) در طراحی الگوریتم های راهنمایی برای کنترل حرکت وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین با سنسورهای پردازنده برای بهبود ردیابی اهداف زمینی بحث کنید. در حالی که مشکلات POMDP برای حل دقیقاً غیرقابل تحمل است ، می توان روشهای تقریب اصولی را بر اساس نظریه ای که راه حل های بهینه را توصیف می کند ، ابداع کرد. یک روش تقریبی جدید به نام بهینه سازی حالت اعتقاد اسمی (NBO) ، همراه با سایر تقریب ها و تکنیک های خاص برنامه در چارچوب POMDP ، یک طرح عملی را تولید می کند که پهپادها را برای دستیابی به عملکرد ردیابی میانگین مربعات بلند مدت در طول مدت طولانی مدت در هماهنگ می کند. وجود انسداد و محدودیت های پویا. انعطاف پذیری طرح با گسترش هدف برای کاهش احتمال تعویض مسیر در موقعیت های مبهم نشان داده شده است.

P. Rybskie و همکاران. ردیابی مولتیپوتز اولویت بندی شده را برای انجام وظایف تخمین حالت یک ربات موبایل اعمال کنید.

برای عمل هوشمندانه در محیط های پیچیده و پویا ، روبات های تلفن همراه باید با استفاده از اطلاعات به دست آمده از طیف گسترده ای از منابع ، موقعیت اشیاء را تخمین بزنند. نویسندگان به طور رسمی مشکل تخمین وضعیت اشیاء در محیطی را توصیف می کنند که در آن ربات فقط می تواند سنسورهای خود را برای مشاهده در یک زمان در مورد شیء انجام دهد. آنها یک روش ردیابی شی را ارائه می دهند که فرضیه های مختلفی را ایجاد و حفظ می کند که شامل یک برآورد وضعیت احتمالی است که توسط منابع اطلاعات فردی تولید می شود. این فرضیه های مختلف می توانند از لحاظ مکانی جدا شوند به گونه ای که همه آنها توسط سنسورهای ربات به طور همزمان قابل مشاهده و تأیید نیستند. بنابراین ، ربات باید تصمیم بگیرد که سنسورهای آن با ارزیابی هر فرضیه در مورد احتمال آن در حاوی شیء ، سنسورهای خود را بر عهده بگیرند. رتبه بندی این فرضیه ها توسط عدم اطمینان مورد انتظار در مدل حرکت/فرآیند شیء و همچنین عدم قطعیت در منابع اطلاعاتی که برای ردیابی موقعیت های آنها استفاده می شود ، تعیین می شود. شرح مفصلی از الگوریتم همراه با نتایج تجربی گسترده در شبیه سازی و همچنین آزمایش هایی در مورد روبات های واقعی که نشان دهنده اثربخشی رویکرد به دست آمده است.

تصدیق

ویراستاران مهمان این شماره ویژه بسیار مدیون نویسندگان و داوران خود هستند که تلاش و فداکاری فوق العاده ای برای تحقق این مسئله انجام می دهند.