/ RCS Reference Model Architecture 4D является эталонной моделью для военных беспилотных транспортных средств о том , как их программные компоненты должны быть идентифицированы и организованы.
4D / RCS был разработан Отделом интеллектуальных систем (ISD) Национального института стандартов и технологий (NIST) с 1980-х годов. [1]
Эта эталонная модель основана на общей архитектуре эталонной модели системы управления в реальном времени (RCS) и применяется ко многим видам управления роботами, включая управление автономным транспортным средством. [2]
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 . [3]
Согласно Балакирскому (2003) 4D / RCS является примером архитектуры делиберативного агента . Эти архитектуры «включают в себя все системы, которые планируют достичь будущей цели или срока. В целом, эти системы планируют на основе модели мира, а не планируют непосредственно на обработанном выходе датчика. Это может быть достигнуто с помощью датчиков в реальном времени , априорной информации, или их комбинация для создания картины или снимка мира, который используется для обновления модели мира ". [4] Порядок действий архитектуры совещательного агента 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 рода пытаются вычислить путь через многомерное пространство, содержащееся в реальном мире». [4]
4D / RCS - это иерархическая совещательная архитектура, которая «планирует до уровня подсистемы для расчета планов для автономного транспортного средства, движущегося по пересеченной местности. В этой системе модель мира содержит предварительно вычисленный словарь возможных траекторий транспортного средства, известный как эго-график, а также информация от обработки датчика в реальном времени. Траектории вычисляются 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 рамках фиксированного цикла планирования, при этом полученная информация обновляется в модели мира в начале цикла. Эта обновленная информация включает информацию о том, какая область в настоящее время находится под наблюдением датчиков, где существуют обнаруженные препятствия и транспортное средство. статус". [4]
История
Подразделение интеллектуальных систем (ISD) Национального института стандартов и технологий (NIST) разрабатывает архитектуру эталонной модели RCS более 30 лет. 4D / RCS - это последняя версия RCS, разработанная для программы Army Research Lab Experimental Unmanned Ground Vehicle. 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 изучала использование 4D / RCS в оборонной мобильности, транспорте, роботизированных кранах, производстве и некоторых других приложениях. [2]
4D / RCS объединяет архитектуру системы управления в реальном времени (RCS) NIST с четырехмерным подходом VaMoRs Германии ( Мюнхенский университет Бундесвера ) к динамическому машинному зрению. Он включает в себя многие концепции, разработанные в рамках программ Demo I, Demo II и Demo III Министерства обороны США, которые продемонстрировали возрастающие уровни автономности роботизированных транспортных средств. Теория, воплощенная в 4D / RCS, во многом заимствует из когнитивной психологии, семиотики, нейробиологии и искусственного интеллекта. [5]
В настоящее время продолжаются три финансируемых правительством США военных проекта, известных как Demo I (армия США), Demo II (DARPA) и Demo III ( армия США ). Demo III (2001) [6] продемонстрировала способность беспилотных наземных транспортных средств преодолевать километры труднопроходимой бездорожья, избегая препятствий, таких как камни и деревья. Джеймс Альбус из NIST предоставил систему управления в реальном времени, которая представляет собой иерархическую систему управления . Управлялись не только отдельные транспортные средства (например, дроссельная заслонка, рулевое управление и тормоз), но и движения групп транспортных средств автоматически координировались в соответствии с целями высокого уровня.
В 2002 году были объявлены соревнования DARPA Grand Challenge . Соревнования DARPA 2004 и 2005 годов позволили международным командам участвовать в гонках на полностью автономных транспортных средствах по пересеченной грунтовой местности и в ненаселенной пригородной местности. Задача DARPA 2007 года , городская задача DARPA, заключалась в вождении автономных автомобилей в городских условиях.
Строительные блоки 4D / RCS
Архитектура 4D / RCS характеризуется общим управляющим узлом на всех иерархических уровнях управления . Иерархические уровни 4D / RCS можно масштабировать, чтобы упростить работу с системами любой степени сложности. Каждый узел в иерархии функционирует как управляемый целью, основанный на модели контроллер с обратной связью . Каждый узел способен принимать и декомпозировать команды задач с целями на действия, которые достигают целей задачи, несмотря на неожиданные условия и динамические возмущения в мире. [2]
Иерархия 4D / RCS
4D / RCS предписывает принцип иерархического управления, который разбивает 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 передаются вниз по иерархии, а обратная связь по статусу и сенсорная информация - вверх. Между узлами на одном уровне может происходить обмен данными в больших объемах, особенно в одном поддереве дерева команд: [5]
- На уровне сервопривода : команды для групп исполнительных механизмов разбиваются на управляющие сигналы 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 в рамках всей подсистемы координируются, и при планировании учитываются такие вопросы, как уклонение от препятствий и контроль взгляда.
- На уровне транспортного средства : все подсистемы в транспортном средстве скоординированы для создания тактического поведения.
- На уровне секции : несколько транспортных средств координируются для создания совместных тактических действий.
- На уровне взвода : несколько секций, содержащих в общей сложности 10 или более машин разных типов, координируются для выработки тактики взвода.
- На уровне роты : несколько взводов, содержащих в общей сложности 40 или более машин разных типов, координируются для выработки тактики роты.
- На уровне батальона : несколько рот, содержащих в общей сложности 160 или более машин разных типов, координируются для выработки тактики батальона.
На всех уровнях команды задач разбиваются на задания для подразделений более низкого уровня, и для подчиненных создаются согласованные расписания. На всех уровнях общение между партнерами позволяет скоординировать действия. На всех уровнях обратная связь с более низких уровней используется для циклического цикла подзадач и компенсации отклонений от запланированных ситуаций. [5]
Контур управления 4D / RCS
В основе контура управления через каждый узел лежит модель мира, которая предоставляет узлу внутреннюю модель внешнего мира. Модель мира предоставляет место для слияния данных, действует как буфер между восприятием и поведением и поддерживает как сенсорную обработку, так и генерацию поведения. [2] Схема высокого уровня внутренней структуры модели мира и системы оценочных суждений показана на рисунке. В базе данных знаний иконическая 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 символьные структуры данных друг с другом, образуют синтаксические, семантические, причинные и ситуационные сети. Указатели, которые связывают символьные структуры данных с областями на изображениях и картах, обеспечивают символическую основу и позволяют модели мира проецировать свое понимание реальности на физический мир. [2]
Сенсорная обработка выполняет функции оконного управления, группировки, вычисления, оценки и классификации на входе от датчиков. Моделирование мира поддерживает знания в форме изображений, карт, сущностей и событий с состояниями, атрибутами и значениями. Отношения между изображениями, картами, объектами и событиями определяются указателями. Эти отношения включают членство в классах, онтологии, ситуации и наследование. Ценностное суждение обеспечивает критерии для принятия решений. Генерация поведения отвечает за планирование и выполнение поведения. [5]
Вычислительные узлы
Узлы 4D / RCS имеют внутреннюю структуру, такую как показано на рисунке. Внутри каждого узла обычно есть четыре функциональных элемента или процесса: [5]
- генерация поведения,
- моделирование мира
- сенсорная обработка и
- оценочное суждение.
Существует также база данных знаний, которая представляет наилучшую оценку узлом состояния мира в диапазоне и разрешении, которые подходят для поведенческих решений, 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 операторский интерфейс. Соединения с интерфейсом оператора позволяют человеку-оператору вводить команды, отменять или изменять поведение системы, выполнять различные типы дистанционного управления , переключать режимы управления (например, автоматический, дистанционное управление, одноэтапное действие, пауза) и наблюдать за значениями переменных состояния, изображений, карт и атрибутов сущностей. Интерфейс оператора также можно использовать для программирования, отладки и обслуживания. [5]
Пять уровней архитектуры
На рисунке представлена вычислительная иерархия первых пяти уровней в цепочке команд, содержащих автономную подсистему мобильности в архитектуре 4D / RCS, разработанной для Demo III. Справа от рисунка, Behavior Generation (состоящий из Planner и Executor) разлагает команды миссии высокого уровня на действия низкого уровня. Текст внутри Планировщика на каждом уровне указывает горизонт планирования на этом уровне. [5]
В центре рисунка каждая карта имеет диапазон и разрешение, подходящие для планирования пути на ее уровне. На каждом уровне есть символические структуры данных и сегментированные изображения с помеченными областями, которые описывают сущности, события и ситуации, которые имеют отношение к решениям, которые должны быть приняты на этом уровне. Слева находится иерархия сенсорной обработки, которая извлекает информацию из потока сенсорных данных, которая необходима для поддержания актуальности и точности базы данных знаний модели мира. [5]
Нижний (серво) уровень не имеет представления карты. Уровень сервопривода имеет дело с динамикой привода и реагирует на сенсорную обратную связь от датчиков привода. Карта уровня Primitive имеет диапазон 5 м с разрешением 4 см. Это позволяет транспортному средству делать небольшие корректировки траектории, чтобы избежать ухабов и колей в течение горизонта планирования 500 мс на уровне примитивов. На примитивном уровне также используются данные акселерометра для управления динамикой автомобиля и предотвращения опрокидывания при движении на высокой скорости. [5]
На всех уровнях планировщики 4D / RCS предназначены для создания новых планов задолго до того, как текущие планы станут устаревшими. Таким образом, действие всегда происходит в контексте недавнего плана, а обратная связь через исполнителей замыкает реактивные контуры управления с использованием недавно выбранных параметров управления. Чтобы соответствовать требованиям динамической среды поля боя, архитектура 4D / RCS определяет, что перепланирование должно происходить в пределах одной десятой горизонта планирования на каждом уровне. [5]
Межузловые взаимодействия в иерархии
Обработка сенсорных данных и формирование поведения являются иерархическими процессами, и оба они встроены в узлы, которые образуют организационную иерархию 4D / RCS. Однако иерархии SP и BG совершенно разные по своей природе и не связаны напрямую. Генерация поведения - это иерархия, основанная на декомпозиции задач и назначении задач операционным единицам. Сенсорная обработка - это иерархия, основанная на группировке сигналов и пикселей по объектам и событиям. 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. [5]
Критика
По словам Балакирского (2003), эта архитектурная форма подверглась серьезной критике из-за того, что «планирование выполняется на модели мира, а не на реальном мире, и сложность вычисления больших планов ... Поскольку мир не статичен и может измениться в течение этой временной задержки, которая возникает между зондированием, концепцией плана и окончательным исполнением, валидация вычисленных планов была поставлена под сомнение ". [4]
Рекомендации
Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайта Национального института стандартов и технологий https://www.nist.gov .
- ^ Данил Прохоров (2008) Вычислительный интеллект в автомобильных приложениях . п. 315
- ^ а б в г д Альбус, Дж. С. и др. (2006). « Обучение в иерархической системе управления: 4D / RCS в программе DARPA LAGR ». NIST 26 июня 2006 г. в: ICINCO 06 - Международная конференция по управлению, автоматизации и робототехнике, Сетубал, Португалия, август 2006 г.
- ^ Дуглас Уитни Гейдж (2004). Мобильные роботы XVII: 26–28 октября 2004 г., Филадельфия, Пенсильвания, США . Общество инженеров фотооптического приборостроения. стр.35.
- ^ а б в г С. Балакирского (2003). Структура для планирования с постепенно создаваемыми графами в приписанных проблемных пространствах . IOS Press. ISBN 1-58603-370-0 . стр.10-11.
- ^ Б с д е е г ч я J K Альбус и др. (2002). 4D-RCS Архитектура эталонной модели для беспилотных транспортных систем версии 2.0 . Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд, 20899, август 2002 г.
- ^ Альбус, Дж. А. (2002). «Архитектура эталонной модели 4-D / RCS для беспилотных наземных транспортных средств» (PDF) . Proc. симпозиума по аэрокосмическому / оборонному зондированию, моделированию и управлению . Орландо, Флорида. Архивировано из оригинального (PDF) 25 июля 2004 года.
дальнейшее чтение
- Альбус, JS (1988). Описание системы и проектная архитектура для нескольких автономных подводных аппаратов . NISTTN 1251, Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд, сентябрь 1988 г.
- Джеймс С. Альбус (2002). « Архитектура эталонной модели 4D / RCS для интеллектуальных беспилотных наземных транспортных средств ». В: Труды SPIE 16 - го ежегодного Международного симпозиума по аэрокосмической / оборонной зондирования, моделирования и управления, Орландо, штат Флорида, 1-5 апреля 2002 года .
- Джеймс Альбус и др. (2002). 4D / RCS: эталонная модель архитектуры для беспилотных транспортных систем Версия 2.2. NIST, август 2002 г.
Внешние ссылки
- RCS Архитектура систем управления в реальном времени Домашняя страница NIST