Архитектура эталонной модели 4D-RCS

Архитектура эталонной модели 4D-RCS для отдельного автомобиля. Он содержит множество слоев вычислительных узлов, каждый из которых содержит элементы сенсорной обработки, моделирования мира, оценочного суждения и формирования поведения.

Архитектура эталонной модели 4D/RCS — это эталонная модель для военных беспилотных транспортных средств, их программные позволяющая определить и организовать компоненты.

4D/RCS разрабатывается Отделом интеллектуальных систем (ISD) Национального института стандартов и технологий (NIST) с 1980-х годов.

Эта эталонная модель основана на общей архитектуре эталонной модели системы управления в реальном времени (RCS) и применяется ко многим видам управления роботами, включая управление автономными транспортными средствами.

Обзор

4D/RCS — это архитектура эталонной модели, которая обеспечивает теоретическую основу для проектирования, разработки и интеграции программного обеспечения интеллектуальных систем для беспилотных наземных транспортных средств .

Фундаментальная структура контура управления 4D/RCS.

По мнению Балакирского (2003), 4D/RCS является примером совещательной агентной архитектуры . Эти архитектуры «включают все системы, которые планируют достичь будущей цели или срока. В целом, эти системы планируют на основе модели мира, а не планирования непосредственно на основе обработанных выходных данных датчиков. Это может быть достигнуто с помощью датчиков реального времени , априорной информации, или их комбинацию для создания изображения или снимка мира, который используется для обновления модели мира». Порядок действий совещательной агентной архитектуры основан на модели мира и поставленной цели миссии, см. изображение. Эта цель «может быть заданным состоянием системы или физическим местоположением. Для достижения цели системы такого типа пытаются вычислить путь через многомерное пространство, содержащееся в реальном мире».

4D/RCS представляет собой иерархическую совещательную архитектуру, которая «планирует до уровня подсистемы расчет планов для автономного транспортного средства, движущегося по пересеченной местности. В этой системе модель мира содержит заранее рассчитанный словарь возможных траекторий транспортного средства, известный как эго-график, а также информацию, полученную в режиме реального времени от датчиков. Траектории рассчитываются на основе дискретного набора возможных скоростей транспортного средства и начальных углов поворота. Все траектории гарантированно являются динамически правильными для заданной скорости и угла поворота. Системы работают в соответствии с фиксированным циклом планирования, при этом полученная информация обновляется в модели мира в начале цикла. Эта обновляемая информация включает информацию о том, какая область в настоящее время находится под наблюдением датчиков, где существуют обнаруженные препятствия и транспортное средство. статус».

История

Подразделение интеллектуальных систем (ISD) Национального института стандартов и технологий (NIST) разрабатывает архитектуру эталонной модели RCS более 30 лет. 4D/RCS — это новейшая версия RCS, разработанная для программы экспериментальных беспилотных наземных транспортных средств армейской исследовательской лаборатории. 4D в 4D/RCS означает добавление времени как еще одного измерения к каждому уровню трехмерной (обработка датчиков, моделирование мира, формирование поведения) иерархической структуры управления. ISD изучила использование 4D/RCS в оборонной мобильности, транспорте, роботизированных кранах, производстве и ряде других приложений.

4D/RCS объединяет архитектуру системы управления в реальном времени (RCS) NIST с немецким ( Мюнхенский университет Бундесвера ) 4-D подходом VaMoR к динамическому машинному зрению. Он включает в себя множество концепций, разработанных в рамках программ Demo I, Demo II и Demo III Министерства обороны США, которые продемонстрировали повышение уровня автономности роботизированных транспортных средств. Теория, воплощенная в 4D/RCS, во многом заимствована из когнитивной психологии, семиотики, нейробиологии и искусственного интеллекта.

три военных проекта, финансируемых правительством США, известные как Demo I (армия США), Demo II (DARPA) и Demo III ( армия США В настоящее время реализуются ). Демо III (2001) продемонстрировали способность беспилотных наземных транспортных средств преодолевать километры сложного бездорожья, избегая таких препятствий, как камни и деревья. Джеймс Альбус из НИСТ разработал систему управления в реальном времени , которая представляет собой иерархическую систему управления . Управлялись не только отдельные транспортные средства (например, дроссельная заслонка, рулевое управление и тормоза), но и движения групп транспортных средств автоматически координировались в ответ на цели высокого уровня.

В 2002 году DARPA Grand Challenge были объявлены соревнования . Соревнования 2004 и DARPA 2005 годов позволили международным командам участвовать в гонках на полностью автономных транспортных средствах по пересеченной грунтовой местности и в безлюдных пригородных условиях. Задача DARPA 2007 года , городская задача DARPA, включала вождение беспилотных автомобилей в городских условиях.

Строительные блоки 4D/RCS

Архитектура 4D/RCS характеризуется общим узлом управления на всех иерархических уровнях управления . Иерархические уровни 4D/RCS масштабируемы для упрощения работы систем любой степени сложности. Каждый узел в иерархии функционирует как управляемый целью, основанный на модели контроллер с обратной связью . Каждый узел способен принимать и разлагать команды задач с целями на действия, которые достигают целей задачи, несмотря на непредвиденные условия и динамические возмущения в мире.

Иерархия 4D/RCS

Блок-схема высокого уровня типичной архитектуры эталонной модели 4D/RCS. БПЛА = беспилотный летательный аппарат, UARV = беспилотный вооруженный разведывательный аппарат, UGS = необслуживаемые наземные датчики.

4D/RCS предписывает иерархический принцип управления, который разлагает команды высокого уровня на действия, в которых используются физические исполнительные механизмы и датчики. На рисунке, например, показана высокоуровневая блок-схема архитектуры эталонной модели 4D/RCS для условного батальона Future Combat System (FCS). Команды движутся вниз по иерархии, а обратная связь о состоянии и сенсорная информация — вверх. Между узлами одного и того же уровня может происходить большой объем связи, особенно в пределах одного поддерева дерева команд:

• На уровне сервоприводов : команды группам исполнительных механизмов разлагаются на сигналы управления для отдельных исполнительных механизмов.
• На примитивном уровне : несколько групп исполнительных механизмов координируются и учитываются динамические взаимодействия между группами исполнительных механизмов.
• На уровне подсистемы : все компоненты внутри всей подсистемы скоординированы, и при планировании учитываются такие вопросы, как предотвращение препятствий и контроль взгляда.
• На уровне транспортного средства : все подсистемы внутри транспортного средства координируются для формирования тактического поведения.
• На уровне секции : несколько транспортных средств координируются для выработки совместного тактического поведения.
• На уровне взвода : несколько секций, содержащих в общей сложности 10 или более машин разных типов, координируются для разработки тактики взвода.
• На уровне роты : несколько взводов, состоящих в общей сложности из 40 или более машин разных типов, координируются для разработки тактики роты.
• На уровне батальона : несколько рот, состоящих в общей сложности из 160 или более машин разных типов, координируются для разработки тактики батальона.

На всех уровнях команды задач декомпозируются на задания для подразделений нижнего уровня и формируются согласованные графики для подчиненных. На всех уровнях общение между коллегами обеспечивает скоординированные действия. На всех уровнях обратная связь с более низкими уровнями используется для циклизации подзадач и компенсации отклонений от запланированных ситуаций.

Контур управления 4D/RCS

Базовая внутренняя структура контура управления 4D-RCS.

В основе контура управления каждым узлом лежит модель мира, которая предоставляет узлу внутреннюю модель внешнего мира. Модель мира обеспечивает площадку для объединения данных, действует как буфер между восприятием и поведением и поддерживает как сенсорную обработку, так и формирование поведения. На рисунке представлена ​​высокоуровневая схема внутренней структуры модели мира и системы оценочных суждений. В базе данных знаний знаковая информация (изображения и карты) связана друг с другом и с символической информацией (сущностями и событиями). Ситуации и отношения между объектами, событиями, изображениями и картами представлены указателями. Указатели, которые связывают символические структуры данных друг с другом, образуют синтаксические, семантические, причинные и ситуационные сети. Указатели, которые связывают символические структуры данных с областями изображений и карт, обеспечивают обоснование символов и позволяют модели мира проецировать свое понимание реальности на физический мир.

Сенсорная обработка выполняет функции оконной обработки, группировки, вычислений, оценки и классификации входных данных от датчиков. Моделирование мира сохраняет знания в форме изображений, карт, объектов и событий с состояниями, атрибутами и значениями. Отношения между изображениями, картами, объектами и событиями определяются указателями. Эти отношения включают членство в классе, онтологии, ситуации и наследование. Ценностное суждение обеспечивает критерии для принятия решений. Генерация поведения отвечает за планирование и реализацию поведения.

Вычислительные узлы

RCS NODE Внутренняя структура.

Узлы 4D/RCS имеют внутреннюю структуру, показанную на рисунке. Внутри каждого узла обычно имеется четыре функциональных элемента или процесса:

1. генерация поведения,
2. моделирование мира,
3. сенсорная обработка и
4. оценочное суждение.

Существует также база данных знаний , которая представляет собой лучшую оценку узла состояния мира на данный момент. диапазон и разрешение, соответствующие поведенческим решениям, за которые отвечает этот узел.

Они поддерживаются базой данных знаний и системой связи, которая связывает функциональные процессы и базу данных знаний. Каждый функциональный элемент в узле может иметь интерфейс оператора. Подключения к интерфейсу оператора позволяют оператору-человеку вводить команды, блокировать или изменять поведение системы, выполнять различные типы телеуправления , переключать режимы управления (например, автоматический, телеуправление, пошаговое управление, пауза) и наблюдать за значениями. переменных состояния, изображений, карт и атрибутов объектов. Интерфейс оператора также можно использовать для программирования, отладки и обслуживания.

Пять уровней архитектуры

Пять уровней архитектуры 4D/RCS для Demo III.

На рисунке представлена ​​вычислительная иерархия первых пяти уровней цепочки управления, содержащей автономную подсистему мобильности в архитектуре 4D/RCS, разработанной для Demo III. Справа на рисунке функция «Генерация поведения» (состоящая из «Планировщика» и «Исполнителя») разлагает команды миссии высокого уровня на действия низкого уровня. Текст внутри Планировщика на каждом уровне указывает горизонт планирования на этом уровне.

В центре рисунка каждая карта имеет диапазон и разрешение, подходящие для планирования пути на ее уровне. На каждом уровне существуют символические структуры данных и сегментированные изображения с помеченными областями, которые описывают сущности, события и ситуации, имеющие отношение к решениям, которые должны быть приняты на этом уровне. Слева находится иерархия сенсорной обработки, которая извлекает информацию из потока сенсорных данных, необходимую для поддержания актуальности и точности базы данных знаний о моделях мира.

Нижний уровень (серво) не имеет представления на карте. Уровень сервопривода управляет динамикой привода и реагирует на сенсорную обратную связь от датчиков привода. Карта примитивного уровня имеет дальность действия 5 м и разрешение 4 см. Это позволяет транспортному средству вносить небольшие корректировки траектории, чтобы избежать неровностей и колей в течение горизонта планирования 500 мс на уровне Primitive. Уровень Primitive также использует данные акселерометра для управления динамикой автомобиля и предотвращения опрокидывания во время движения на высокой скорости.

На всех уровнях планировщики 4D/RCS предназначены для создания новых планов задолго до того, как текущие планы устареют. Таким образом, действие всегда происходит в контексте недавнего плана, а обратная связь через исполнителей замыкает контуры реактивного управления с использованием недавно выбранных параметров управления. Чтобы удовлетворить требования динамичной среды поля боя, архитектура 4D/RCS предусматривает, что перепланирование должно происходить в пределах примерно одной десятой горизонта планирования на каждом уровне.

Межузловые взаимодействия внутри иерархии

Сенсорная обработка и формирование поведения являются иерархическими процессами, и оба они встроены в узлы, образующие организационную иерархию 4D/RCS. Однако иерархии SP и BG совершенно различны по своей природе и не связаны напрямую. Генерация поведения представляет собой иерархию, основанную на декомпозиции задач и назначении задач оперативным подразделениям. Сенсорная обработка — это иерархия, основанная на группировке сигналов и пикселей в сущности и события. В 4D/RCS иерархии сенсорной обработки и генерации поведения разделены иерархией процессов моделирования мира. Иерархия WM обеспечивает буфер между иерархиями SP и BG с интерфейсами для обеих.

Критика

По словам Балакирского (2003), эта архитектурная форма подвергалась серьезной критике из-за того, что «планирование выполняется на модели мира, а не на реальном мире, а также сложности расчета больших планов... Поскольку мир не статичен и может меняться в течение этой временной задержки, которая возникает между зондированием, концепцией плана и окончательным исполнением, проверка рассчитанных планов была поставлена ​​под сомнение».

Ссылки

Эта статья включает общедоступные материалы Национального института стандартов и технологий.

Дальнейшее чтение

• Альбус, Дж. С. (1988). Описание системы и архитектура проектирования нескольких автономных подводных аппаратов . NISTTN 1251, Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд, сентябрь 1988 г.
• Джеймс С. Альбус (2002). « 4D/RCS: архитектура эталонной модели для интеллектуальных беспилотных наземных транспортных средств ». В: Материалы 16-го ежегодного международного симпозиума SPIE по аэрокосмическому и оборонному зондированию, моделированию и управлению, Орландо, Флорида, 1–5 апреля 2002 г.
• Джеймс Альбус и др. (2002). 4D/RCS: Архитектура эталонной модели для беспилотных транспортных систем, версия 2.2. НИСТ, август 2002 г.

Внешние ссылки

• RCS Архитектура систем управления в реальном времени Домашняя страница NIST