Routing of Autonomous Devices in Three-Dimensional Space

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

The article addresses the problem of routing autonomous devices in three-dimensional space, which is a relevant task for intelligent control. The three-dimensional space is characterized by a high degree of freedom, complex topology, and dynamic environmental changes, which significantly complicate the task of effective trajectory planning. The development of routing methods that ensure safety, energy efficiency, and computational efficiency is crucial for improving the performance of autonomous systems. The paper presents a comprehensive routing system based on a hybrid approach that combines high-level modeling of the working space with metaheuristic optimization methods. Hierarchical data structures, such as octrees, are used to represent the three-dimensional environment, providing compactness and flexibility for spatial models. These models are transformed into graph structures, allowing the routing problem to be described as an optimization problem on graphs. A modified metaheuristic ant colony optimization algorithm, belonging to the class of swarm optimization methods, is proposed. The algorithm is designed to build safe and energy-efficient routes, as well as to solve problems related to finding the shortest Hamiltonian cycles and dynamically reconfiguring routes in a changing external environment. The paper presents the results of computational experiments, including algorithm testing in three-dimensional space and a comparative analysis with other routing algorithms. The computational experiment confirmed the effectiveness of the developed routing algorithm, including reduced computation time and improved energy efficiency of autonomous devices. The prospects for further research include integrating the proposed system into a wide range of applications for autonomous devices aimed at optimizing control processes and enhancing performance in a dynamically changing external environment. It is worth noting that the developed algorithm can be adapted to solve complex tasks where routing and wind generator placement on a plane are interrelated. The placement problem is directly connected to route construction for servicing these objects, which requires a comprehensive approach for an efficient solution. This will be part of a decision support system designed for the planning and servicing of wind power complexes, ensuring their effective operation and resource management.

Sobre autores

V. Kureychik

Southern Federal University

Email: vkur@sfedu.ru
Engels St. 1, cor. G-435

V. Danilchenko

Southern Federal University

Email: vdanilchenko@sfedu.ru
Engels St. 1, cor. G-435

E. Danilchenko

Southern Federal University

Email: lipkina@sfedu.ru
Engels St. 1, cor. G-435

Bibliografia

  1. Курейчик В.В., Гладков Л.А., Кравченко Ю.А., Родзин С.И. Интеллектуальные системы: модели и методы метаэвристической оптимизации: Монография // Чебоксары: ООО «Издательский дом «Среда», 2024. 228 с. doi: 10.31483/a-10639.
  2. Даринцев О.В., Мигранов А.Б. Аналитический обзор подходов к распределению задач в группах мобильных роботов на основе технологий мягких вычислений // Информатика и автоматизация. 2022. Т. 21. № 4. С. 729–757. doi: 10.15622/ia.21.4.4.
  3. Курейчик В.В., Родзин С.И. Вычислительные модели эволюционных и роевых биоэвристик (обзор) // Информационные технологии. 2021. Т. 27. № 10. С. 507–520. doi: 10.17587/it.27.507-520.
  4. Перепелкин Д.А., Иванчикова М.А., Нгуен В.Т. Нейросетевая многопутевая маршрутизация в программно-конфигурируемых сетях на основе генетического алгоритма // Информационные технологии. 2023. Т. 29. № 12. С. 622–629. doi: 10.17587/it.29.622-629.
  5. Казакова Е.М. Применение метода роя частиц в задачах оптимизации // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2022. № 5(109). С. 48–57. doi: 10.35330/1991-6639-2022-5-109-48-57.
  6. Казаков К.А., Семенов В.А. Обзор современных методов планирования пути // Тр. ИСП РАН. 2016. Т. 28(4). С. 241–294. doi: 10.15514/ISPRAS-2016-28(4)-14.
  7. Гладков Л.А., Гладкова Н.В. Эволюционирующие многоагентные системы и эволюционное проектирование // Известия ЮФУ. Технические науки. 2020. № 4(214). С. 48–59. doi: 10.18522/2311-3103-2020-4-48-59.
  8. Рачков Т.И., Кузьмина И.А. Мета-эвристический алгоритм децентрализованного управления группой // Математические методы в технологиях и технике. 2021. № 3. С. 96–99. doi: 10.52348/2712-8873_MMTT_2021_3_96.
  9. Костин А.С., Майоров Н.Н. Исследование моделей и методов маршрутизации и практического выполнения автономного движения беспилотными транспортными системами для доставки грузов // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2023. Т. 15. № 3. С. 524–536. doi: 10.21821/2309-5180-2023-15-3-524-536.
  10. Акопов А.С., Бекларян Л.А., Бекларян А.Л. Оптимизация характеристик интеллектуальной транспортной системы с использованием генетического алгоритма вещественного кодирования на основе адаптивной мутации // Информационные технологии. 2023. Т. 29. № 3. С. 115–125. doi: 10.17587/it.29.115-125.
  11. Карпенко А.П. Эволюционные операторы популяционных алгоритмов глобальной оптимизации. Опыт систематизации // Математика и математическое моделирование. 2018. № 1. С. 59–89. doi: 10.24108/mathm.0118.0000103.
  12. Медведев М.Ю., Костюков В.А., Пшихопов В.Х. Метод оптимизации траектории мобильного робота в поле источников-репеллеров // Информатика и автоматизация. 2021. Т. 20. № 3. С. 690–726. doi: 10.15622/ia.2021.3.7.
  13. Литвиненко А.М., Кудрявцев Г.В., Ибрагимов М.У.У. Исследование адаптивной системы управления электроэнергетическим комплексом с ветроэлектрогенератором // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2021. № 3(65). С. 10–17. doi: 10.53015/18159958_2021_3_10.
  14. Курочкин А.Г., Титенко Е.А. Модифицированный алгоритм сглаживания точек маршрута // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016. № 5(68). С. 43–51.
  15. Шмалько Е.Ю., Румянцев Ю.А., Байназаров Р.Р., Ямшанов К.Л. Идентификация нейросетевой модели робота для решения задачи оптимального управления // Информатика и автоматизация. 2021. Т. 20. № 6. С. 1254–1278. doi: 10.15622/ia.20.6.3.
  16. Ургапов В.А. Компьютерное моделирование основных типов движения мультикоптера в трёхмерном пространстве // Вестник Совета молодых ученых Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. 2016. № 1(2). С. 216–220.
  17. Жарков С.Н. Стохастическое формирование проактивного множества при кластеризации в мобильных беспроводных сенсорных сетях // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2013. Т. 7. № 5. С. 29–34.
  18. Шилов Н.Г., Пономарев А.В., Смирнов А.В. Анализ методов онтолого-ориентированного нейро-символического интеллекта при коллаборативной поддержке принятия решений // Информатика и автоматизация. 2023. Т. 22. № 3. С. 576–615. doi: 10.15622/ia.22.3.4.
  19. Danilchenko V.I., Danilchenko E.V., Kureichik V.M. Application of Genetic Algorithms in Solving the Problem of Placing Elements on a Crystal Taking into Account the Criterion of the Maximum Number of Linear Segments // Proceedings of the Fifth International Scientific Conference “Intelligent Information Technologies for Industry” (IITI’21). Lecture Notes in Networks and Systems. 2022. vol. 330. pp. 276–284. doi: 10.1007/978-3-030-87178-9_28.
  20. Валькман Ю.Р., Тарасов В.Б. От онтологий проектирования к когнитивной семиотике // Онтология проектирования. 2018. Т. 8. № 1(27). С. 8–34. doi: 10.18287/2223-9537-2018-8-1-8-34.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».