Защита диссертации Қызырқанова Абзала Ермекбайұлы на соискание степени доктора философии (PhD) по специальности «8D06104 - Вычислительная техника и программное обеспечение»
В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Қызырқанова Абзала Ермекбайұлы на тему «Алгоритмическое и программное обеспечение системы самоорганизующихся интеллектуальных мобильных роботов» по образовательной программе «8D06104 – Вычислительная техника и программное обеспечение».
Диссертация выполнена на кафедре «Компьютерная и программная инженерия (ВТ)» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Временные члены Диссертационного совета:
Научные консультанты:
Атанов Сабыржан Кубейсинович
Шади Альджаварнех
Защита состоится: 23 августа 2024 года 11:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D061 – Информационно-коммуникационные технологии» по специальности «8D06104 – Вычислительная техника и программное обеспечение» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в онлайн формате.
Ссылка: https://teams.microsoft.com/l/meetup-join/19%3ameeting_MzFhOTFkOWMtYzI0MS00M2EwLWFlMDQtMTBhMGY4MjI0Yjli%40thread.v2/0?context=%7b%22Tid%22%3a%225a2fd781-9261-485a-af2b-6171d0efab73%22%2c%22Oid%22%3a%22a38c8a61-aa6f-4d31-97da-ed50c88c270d%22%7d
Адрес: г. Астана, ул. А. Пушкина, 11, учебный корпус, аудитория №222.
Аннотация (рус.): АННОТАЦИЯ диссертационной работы Қызырқанова Абзала Ермекбайұлы «Алгоритмическое и программное обеспечение системы самоорганизующейся интеллектуальных мобильных роботов», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе: 8D06104 – Вычислительная техника и программное обеспечение Актуальность темы исследования. Применение роботов актуально в различных научных, технологических и промышленных областях, особенно в сценариях, труднодоступных или невозможных для человека. К таким областям относятся среды с радиоактивным или химическим загрязнением, зоны боевых действий, подводная разведка и космические исследования. Многочисленные исследования были направлены на разработку роботов для различных целей, что привело к выявлению фундаментальных проблем, таких как распознавание объектов, моделирование окружающей среды, планирование движения и управление. Однако очевидно, что один робот, независимо от его способностей, имеет ограниченные возможности для выполнения сложных задач. Для преодоления этих проблем перспективным решением стало использование групп роботов, или роев. Применение роботов в группах дает ряд преимуществ, включая увеличение радиуса действия за счет рассредоточения роботов по всей рабочей зоне, расширение функциональности за счет индивидуальных систем управления каждого робота и повышение вероятности выполнения задачи за счет перераспределения целей между членами группы. Следовательно, такие сложные задачи, как освоение крупных территорий, сборка подводных и космических конструкций, боевые и вспомогательные операции, расчистка территорий, могут быть эффективно решены только при совместном взаимодействии роботов. Однако это требует поиска новых решений, связанных с групповым управлением и коммуникацией. Для эффективного решения сложных задач в динамичной и непредсказуемой среде роботы в рое должны взаимодействовать согласованно. Методы планирования и управления должны быть разработаны для работы в реальном времени на бортовых вычислительных устройствах. Для достижения этой цели рой должен функционировать как единое целое, а действия отдельных роботов должны быть направлены на достижение максимального коллективного успеха. Исследователи в один голос твердят, что для эффективной работы роя необходимы децентрализованные (распределенные) методы управления. Данное исследование посвящено координации и управлению мультиагентными роботизированными системами, в частности, решению ключевых проблем в роевой робототехнике. В исследовании рассматриваются различные методологии и техники для повышения производительности и возможностей роя по различным аспектам. Одним из важнейших аспектов является управление формированием, где предлагаются методики для получения желаемых геометрических образований внутри роя. Применяя алгоритмы управления на основе моделей поведения, рой может достичь скоординированного движения и эффективного выполнения задач. Такой подход позволяет рою выполнять несколько задач одновременно, повышая общую производительность системы. Эффективное потребление энергии является еще одним важным моментом. В данной работе представлена методология снижения энергопотребления за счет выборочного включения лидаров. Интеллектуально включая лидары в зависимости от условий окружающей среды и требований задачи, рой может экономить энергию, сохраняя при этом необходимые возможности восприятия. Этот подход повышает энергоэффективность роя, позволяя ему работать в течение длительного времени и выполнять сложные задачи. Кроме того, в данном исследовании предлагаются стратегии для решения проблемы потенциальных тупиковых ситуаций в многоагентных робототехнических системах. При движении к цели, обходе препятствий и принятии решений на месте под влиянием внешней среды роботы могут случайно сходиться в одном и том же месте. Если внешняя среда остается неизменной, роботы, следуя одному и тому же алгоритму и принимая одинаковые решения, могут зациклиться. Для смягчения этой проблемы используется подход, называемый epsilon-greedy. Алгоритм epsilon-greedy вносит случайность в движения роботов, помогая им избежать повторяющихся действий. Этот подход, широко используемый в машинном обучении, предотвращает чрезмерную адаптацию системы к локальному оптимуму и повышает ее адаптивность. Суть метода заключается в том, что система время от времени выбирает "нелогичное" решение при принятии решений с очень малой вероятностью, известной как эпсилон. Для улучшения координации внутри роя используется подход "лидер-последователь" с виртуальным лидером. Назначая виртуального лидера и поддерживая желаемое расстояние относительно него, рой достигает скоординированного движения и сохранения формации. Такой подход повышает устойчивость системы, поскольку отказ одного лидера не приводит к неработоспособности всей системы. Этот метод особенно выгоден, когда централизованный лидер неосуществим или требуется избыточность. Кроме того, в данном исследовании используется управление на основе нечеткой логики для принятия обоснованных навигационных решений. Анализируя данные лидара с помощью нечеткой логики, рой может эффективно перемещаться, принимая интеллектуальные решения на основе различных входных данных и факторов окружающей среды. Решая эти конкретные задачи и используя такие методы, как управление формированием, снижение энергопотребления за счет выборочного включения лидара, предотвращение возникновения зацикления, лидер-последователь с виртуальным лидером и управление с нечеткой логикой, данное исследование вносит вклад в развитие роевой робототехники. Разработанные методики и технологии имеют практическое значение и потенциальное применение в различных областях, включая поисково-спасательные операции, мониторинг окружающей среды, геологоразведочные миссии, промышленную автоматизацию и военные приложения. Эти достижения улучшают координацию, энергоэффективность, устойчивость системы и интеллектуальные возможности принятия решений, позволяя эффективно использовать роевую робототехнику в реальных сценариях. Чтобы оценить эффективность предложенных методик, были проведены экспериментальные исследования с использованием симулятора движения роя, разработанного с помощью pygame. Движение роя тестировалось на различных картах, имитируя различные сценарии реального мира. Проведение экспериментов в контролируемой среде позволило оценить производительность и возможности роя, что дало возможность провести количественную оценку предложенных методик. Результаты экспериментов позволили получить ценные сведения об эффективности методов координации и управления, стратегий управления формированием, методов снижения энергопотребления, стратегий предотвращения тупиковых ситуаций, подходов "лидер-последователь" и управления на основе нечеткой логики. Эти эксперименты подтвердили правильность предложенных методик и продемонстрировали их потенциал для практического применения в роевой робототехнике. Целью диссертационного исследования является разработка и реализация новых методов и алгоритмов, а также программного обеспечения для управления и координации роя автономных, самоорганизующихся интеллектуальных мобильных роботов. Задачи исследования: - Исследование методов управления на основе "лидер-последователь" с целью тщательного изучения и улучшения эффективности и координации динамики роя, что обеспечит оптимальное движение и адаптивность без привязки к физическому лидеру. - Изучение методов и моделей для повышения эффективности систем роя с целью определения и применения стратегий управления ресурсами, что значительно улучшит энергоэффективность роя, особенно важно для миссий длительного действия. - Анализ метода определения границ роя для управленческих задач с целью разработки стратегии обхода препятствий, уделяя приоритет агентам на краях, что способствует более эффективному движению и улучшенным навигационным возможностям. - Разработка интеллектуальных методов оптимизации движения роя роботов с целью улучшения адаптивной навигации роя и повышения эффективности принятия решений при обходе препятствий в сложных условиях. - Реализация алгоритмических и программных систем для самоорганизующихся интеллектуальных мобильных роботов с целью создания надежной основы, которая обеспечит автономное и самоорганизующееся поведение, улучшая тем самым эффективность выполнения задач в разнообразных условиях.. Объектом исследования данной работы является рой автономных, самоорганизующихся интеллектуальных мобильных роботов с децентрализованным управлением. Предметом исследования является алгоритмы координация и управление роя роботов. Методология исследования данной диссертации предполагает системный подход к достижению поставленных целей. Исследование начинается с обширного обзора литературы для изучения существующих подходов и получения глубокого понимания алгоритмов и методов управления и координации роботов, многоагентных робототехнических систем и роев роботов. Основываясь на этих знаниях, исследование представляет новую методологию, специально разработанную для координации и управления роем автономных, самоорганизующихся интеллектуальных мобильных роботов. Эти методики включают в себя несколько ключевых компонентов, в том числе метод "лидер-последователь" с виртуальным лидером, подход на основе поведения, метод выборочного включения лидара, расчет направления поворота на основе нечеткой логики и эпсилон-жадный алгоритм для решения таких задач, как предотвращение столкновений и предотвращение бесконечных циклов во время движения. Эффективность предложенного метода оценивается с помощью имитационных экспериментов, которые проводились с использованием симулятора движения, разработанного на языке программирования Python с помощью программы PyGame. Используя данную методологию исследования, мы стремимся внести вклад в область робототехники, предлагая инновационное и комплексное решение для координации и управления роем автономных роботов. Научная новизна предлагаемой докторской диссертации заключается в следующих ключевых аспектах: - Разработан модифицированный метод "лидер-последователь" с виртуальным лидером. Этот подход улучшает координацию роя, позволяя поддерживать специфические геометрические формации и обеспечивая непрерывность работы даже при выходе из строя отдельных роботов. - Разработан интеллектуальный метод моделирования поведения системы роя с использованием корректировки весов поведения. Применение нечеткой логики позволяет динамически адаптировать поведение роя к изменениям окружающей среды в реальном времени. - Предложен алгоритм e-greedy в робототехнике роя. Этот алгоритм решает проблему зацикливания, вводя случайность в принятие решений, тем самым улучшая операционную эффективность роя в сложных условиях. - Разработан метод движения роя с выборочным включением лидаров. Этот метод снижает потребление энергии, путем включения лидаров только при необходимости, повышая энергоэффективность и продлевая срок службы роя автономных мобильных роботов. - Разработан метод расчета угловой скорости на основе нечеткой логики. Эта техника позволяет точно и адаптивно управлять движением в динамически изменяющихся условиях, улучшая движения и обход препятствий. - Разработана алгоритмическая и программная система для самоорганизующихся интеллектуальных мобильных роботов. Эта система реализует все вышеупомянутые методы, позволяя роботизированным роям эффективно самоорганизовываться и автономно выполнять задачи. Положения, выносимые на защиту: - Модифицированный метод «лидер-последователь» с виртуальным лидером. Этот метод позволяет роям поддерживать определенную геометрическую фигуру и продолжать координированное движение даже при отказе отдельных роботов, используя виртуального лидера для улучшения устойчивости системы. - Интеллектуальный метод модели поведения роевых систем. Внедрение нечеткой логики позволяет роям автоматически корректировать веса своего поведения, обеспечивая адаптивную реакцию на изменения окружающей среды для эффективного поведения роя. - Применение алгоритма e-greedy в робототехнике роя. Алгоритм e-greedy вносит контролируемую случайность в процессы принятия решений, предлагая стратегию для избежания повторяющихся петель в траекториях роботов, тем самым улучшая способность роя двигаться в сложных условиях более оптимально. - Метод движения роя с выборочным включением лидаров. Этот метод предлагает стратегическое снижение потребления энергии путем включения лидаров только по необходимости, напрямую способствуя операционной устойчивости и долговечности роевых систем за счет оптимизации использования энергии. - Расчет угловой скорости на основе нечеткой логики. Применение нечеткой логики для расчета угловой скорости позволяет управлять движением более точно и адаптивно в динамически меняющихся условиях. - Разработано алгоритмическое и программное обеспечение системы самоорганизующихся интеллектуальных мобильных роботов. Эта комплексная система реализует все вышеупомянутые методы, позволяя роботизированным роям эффективно самоорганизовываться и автономно выполнять задачи. Теоретическая и практическая значимость исследования: Исследование, проведенное в данной работе, имеет важное теоретическое и практическое значение в области робототехники и роевого интеллекта. В нем рассматриваются проблемы, связанные с координацией и управлением, роем автономных, самоорганизующихся интеллектуальных мобильных роботов, что вносит заметный вклад в развитие роевых систем и потенциальное массовое использование автономных мобильных роботов в больших группах. С теоретической точки зрения, данное исследование охватывает область алгоритмов и методов управления роем, многоагентных роботизированных систем и координации в сложных и динамичных средах. Введение нового алгоритма, специально разработанного для координации и управления роем, представляет собой существенный теоретический вклад, предлагая новый взгляд на достижение эффективного и разумного поведения в рое. Не менее примечательна и практическая значимость данного исследования. Разработанные методики представляют собой практическое решение для эффективной координации и управления роем автономных роботов, обеспечивая их совместное выполнение сложных задач. Способность алгоритма оптимизировать потребление энергии путем выборочного включения лидаров повышает практичность и устойчивость роботизированных систем. Методология исследования также имеет важное практическое значение. Систематический подход, включающий тщательный обзор литературы, разработку алгоритма и имитационные эксперименты, обеспечивает строгую оценку и валидацию предложенного алгоритма. Результаты, полученные в ходе имитационных экспериментов, способствуют практической применимости алгоритма, направляя его потенциальное внедрение в реальные робототехнические системы. Подводя итог, можно сказать, что теоретическая и практическая значимость данного исследования заключается в разработке и реализации новых методик координации и управления роем автономных, самоорганизующихся интеллектуальных мобильных роботов. Вклад этих методик в область роевой робототехники, включая ее теоретические основы, практическую применимость и аспекты устойчивости, позиционирует ее как ценное дополнение к существующему объему знаний. Апробация результатов диссертационной работы: - Семинары докторантов кафедры "Компьютерная и программная инженерия". - 2023 Международная конференция IEEE по интеллектуальным информационным системам и технологиям (2023 IEEE SIST), 4-6 мая - 7-я Международная конференция по цифровым технологиям в образовании, науке и промышленности, DTESI 2022 Алматы, 20-21 октября 2022 г. - 2022 Международная конференция по интеллектуальным информационным системам и технологиям 25–26 ноября - 2021 Международная конференция IEEE по интеллектуальным информационным системам и технологиям, Нур-Султан, 28–30 апреля 2021 г. - 2024 Международная конференция IEEE по интеллектуальным информационным системам и технологиям (2024 IEEE SIST), 4–6 мая Публикации: - Статья, опубликованная в научном журнале, индексируемом в Scopus: - Toibazarov, D., Baiseitov, G., Kyzyrkanov, A., Aljawarneh, S., & Atanov, S. (2023). DEVELOPMENT OF CONTROL SOFTWARE FOR SELFORGANIZING INTELLIGENT MOBILE ROBOTS. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 122(9). В сборниках конференций, включенных в базу данных Scopus - Kyzyrkanov A. E., Atanov S. K., Aljawarneh S. A., Tursynova N. A. Movement Coordination of Swarm Robotic Systems. CEUR Workshop Proceedings, 7th International Conference on Digital Technologies in Education, Science and Industry, DTESI 2022 Almaty, 20-21 October 2022, Том 3382 ISSN:1613-0073. - Kyzyrkanov, A., Atanov, S., Aljawarneh, S., Tursynova, N., & Kassymkhanov, S. Algorithm of Coordination of Swarm of Autonomous Robots. SIST 2023 - 2023 IEEE International Conference on Smart Information Systems and Technologies, Proceedings Pages 539 - 5442023 2023 IEEE International Conference on Smart Information Systems and Technologies, SIST 2023 Astana - 4 May 2023 through 6 May 2023 DOI:10.1109/SIST58284.2 023.10223555 - Aidarbekov A., Shakhmetova G., Asmaganbetova K., Bekish Z., Kyzyrkanov A., Salimzhanov A. Informational Technologies in Film Production - How ICT shaping Media Industry. 2021 IEEE 4th International Conference on Advanced Information and Communication Technologies, AICT 2021 – Proceedings, 21–25 September 2021. ISBN:978-166540618-5 DOI:10.1109/AICT52120. 2021.9628901 - Asmaganbetova K., Yeleussizova N., Ceng Micheme A., Aidarbekov A., Kyzyrkanov A., Burissova D. Academic - Industry Partnership: Development IT Sector in Kazakhstan. SIST 2021–2021 IEEE International Conference on Smart Information Systems and Technologies, Nur-Sultan, 28-30 April 2021. ISBN: 978-172817470-9 DOI:10.1109/SIST50301.2 021.9465937 - статьи, опубликованные в научных журналах, рекомендуемых КОКНВО РК: - Кызырканов А.Е., Атанов С.К., Альджаварнех Ш., Отарбай Ж. Алгоритм координации роя автономных мобильных роботов. Республиканский научно-технический журнал «Университет еңбектері – Труды университета» НАО «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова», №4(93), 2023г ,448 454 с. ISSN (Online): 2959–5894 DOI: https://doi.org/10.51889/202 2–1.1728–7901.07. - Kyzyrkanov A., Atanov S.K., Aljawarneh Sh., Tursynova N., Otarbay Zh., Khairosheva K. Method of coordination of motion of swarm robotic systems. Scientific Journal of Astana IT University ISSN (E): 2707-904XVOLUME 13, March 2023. pp 76–85 DOI: 10.37943/13FEUH2535 Published: 2023-03-30 - Кызырканов А.Е., Атанов С.К., Касымханов С., Орынбек Ә., Сансызбай Қ. Алгоритм контроля и координации роя мобильных автономных роботов. Вестник КазАТК №2(125).2023, Опубликован: 28.04.2023г ISSN 2790–5802 (Online) DOI:10.52167/1609–1817–2023 125-2-412-421 - Қызырқанов А., Бақыт М., Мусиралиева Ш., Балбаев Г., Тулешева Г. Проблемы выделения и ранжирования объектов критической информационной инфраструктуры сотовых сетей связи в Республике Казахстан. ҚазККА Хабаршысы № 3 (126), 2023 Вестник КазАТК № 3 (126), 2023 ISSN 1609–1817 (Print) ISSN 2790–5802 (Online) DOI: 10.52167/1609-1817 - свидетельства о государственной регистрации прав на объект авторского права - Свидетельство о внесении сведений в государственный реестр прав на объекты, охраняемые авторским правом No 22540 от «22» декабря 2021 года. Программа моделирование движения мультиагентных роевых систем с виртуальным лидером. Атанов Сабыржан Кубейсинович, Қызырқанов Абзал Ермекбайұлы, Молдамурат Хуралай, Өтеген Алихан Серикұлы - Свидетельство о внесении сведений в государственный реестр прав на объекты, охраняемые авторским правом No 22539 от «22» декабря 2021 года. Программа моделирование движения группировки малоразмерных БПЛА при обходе препятствий на основе роевых алгоритмов. Атанов Сабыржан Кубейсинович, Қызырқанов Абзал Ермекбайұлы, Молдамурат Хуралай, Ахметов Кайрат Телектесович - Свидетельство о внесении сведений в государственный реестр прав на объекты, охраняемые авторским правом № 34263 от «4» апреля 2023 года. Сәйкестендіру және аутентификациялау әдістерін ұялы байланыс желілерінде авторизациялауды модельдеу. Молдамурат Хуралай, Сейткулов Ержан Нураханович, Атанов Сабыржан Кубейсинович, Ергалиева Бану Бакытжановна, Қызырканов Абзал Ермекбайулы - Свидетельство о внесении сведений в государственный реестр прав на объекты, охраняемые авторским правом № 41056 от «6» декабря 2023 года. Программная реализация алгоритма движения роя интеллектуальных мобильных роботов с выборочным включением лидаров на основе нечеткой логики. Қызырқанов Абзал Ермекбайұлы; Атанов Сабыржан Кубейсинович; Турсынова Назира Абдижаппаровна Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 115 страницах, приложения содержат 43 рисунков и 1 таблицы. Во введении дается обзор контекста и значимости исследования, формулируются цели и задачи исследования. В нем также излагается организационная структура диссертации. В первом разделе представлен всесторонний обзор литературы и анализ современного состояния роевой робототехники, обсуждаются соответствующие теории, концепции и результаты исследований в этой области. Второй раздел посвящен использованию подхода "лидер-последователь" для управления формированием роя. В нем рассматривается концепция виртуального лидера и разрабатывается методология поддержания формирования с использованием подхода "лидер-последователь". В третьем разделе представлена разработка метода координации движения роевых роботов. Он включает в себя разработку и реализацию алгоритмов выбора роботов-наблюдателей, вычисления направления поворота роя с использованием нечеткого логического управления и определения общей скорости роя. В четвертом разделе рассматривается использование алгоритма epsilon-greedy для предотвращения бесконечных циклов в движении роя. В нем обсуждается реализация и интеграция этого алгоритма в систему роя для обеспечения эффективного и неповторяющегося движения. Пятый раздел посвящен разработке метода расчета движения роевых роботов с использованием метода, основанного на модели поведения. Он включает в себя разработку и реализацию алгоритмов для поддержания строя, избегания столкновений и обеспечения скоординированного движения роя. В шестом разделе представлен экспериментальный анализ и оценка разработанных методов. В заключении кратко изложены результаты исследования, выводы, сделанные по его итогам, и рекомендации по дальнейшим исследованиям в области самоорганизующихся интеллектуальных мобильных робототехнических систем. Практические материалы исследования приведены в приложении.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://youtu.be/EJKB-euEdqo
