Найти

Результаты поиска

• ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ДЛЯ БОРТОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

  Н.А. Бочаров , Н.Б. Парамонов

  229-239

  2025-12-30

  Аннотация ▼

  Современные робототехнические комплексы решают всё более сложные задачи, что предъявляет повышенные требования к быстродействию и эффективности бортовых вычислительных систем. Традиционные методы наращивания производительности (масштабирование аппаратуры, параллельные вычисления и др.) уже приближаются к своим пределам, поэтому возникает необходимость поиска принципиально новых подходов. Квантовые вычисления рассматриваются как перспективное направление, способное значительно превзойти классические вычислительные мощности в ряде задач. В этой связи целью данного исследования является изучение применимости квантовых вычислений для бортовых вычислительных систем робототехнических комплексов (РТК). Для достижения поставленной цели проведён всесторонний анализ требований (производительность, энергопотребление, массогабаритные показатели, надёжность и др.), предъявляемых к бортовым вычислительным системам РТК. Оценён потенциал квантовых алгоритмов в решении типовых задач робототехники, в том числе оптимизационных задач и задач машинного обучения, и проведено их имитационное моделирование с последующим сравнением результатов с классическими методами. Кроме того, рассмотрены текущие ограничения современных квантовых компьютеров (например, ограниченное число кубитов и проблемы декогеренции) и на основе тенденций развития технологий сделан прогноз их совершенствования в ближайшие годы. Проведённое исследование подтверждает перспективность применения квантовых вычислений для решения задач оптимизации и машинного обучения, которые являются ключевыми для интеллектуальных РТК. Однако текущие технологические ограничения (габариты, требования к условиям работы и нестабильность квантовых процессоров) пока не позволяют использовать квантовые компьютеры непосредственно на борту. Тем не менее, предложены направления дальнейших исследований и рассмотрены возможные сценарии постепенного внедрения квантовых вычислений в архитектуру РТК в ближайшие 5–15 лет, например, по мере миниатюризации квантовых процессоров и развития методов их интеграции в бортовые системы. Таким образом, по мере устранения существующих барьеров квантовые вычислители могут со временем стать неотъемлемой частью бортовых систем управления РТК, обеспечивая качественный скачок в их производительности.

• АППАРАТНАЯ НЕЙРОННАЯ СЕТЬ НА ОСНОВЕ МЕМРИСТИВНЫХ СТРУКТУР ОКСИДА ТИТАНА

  В.И. Авилов , Л. А. Душина , Н.В. Полупанов , В. А. Смирнов

  205-214

  2025-11-10

  Аннотация ▼

  Представлены результаты изготовления, обучения и исследования макета аппаратной нейронной сети, реализованного в виде кроссбар массива искусственных синапсов на основе мемристорных наноструктур электрохимического оксида титана. Был разработан макет полносвязной нейронной сети, состоящей из четырех входных электродов, кроссбар массива 16 искусственных синапсов на основе наноструктур электрохимического оксида титана и четырех выходных электродов. Показано, что процесс протекания тока через такую структуру полностью соответствует математической модели нейронной сети. Были проанализированы различные реализации искусственных синапсов, позволяющие реализовать отрицательные «веса» нейронной сети и выбран один из оптимальных вариантов. На основе разработанной структуры был изготовлен макет полносвязной нейронной сети с использованием технологий магнетронного распыления, оптической и зондовой литографии. Для обучения нейронной сети был разработан алгоритм переключения отдельных мемристоров, исключающий паразитное переключение соседних структур за счет возникновения тока утечки. Для демонстрации работы изготовленного макета нейронной сети была предложена задача классификации двух входных сигналов. Для реализации отрицательных «весов» каждый из входящих сигналов дублировался с отрицательной полярностью. Предполагается, что выходы обученной нейронной сети должны регистрировать: 1) превышение первого сигнала; 2) превышение второго сигнала; 3) оба высоких сигнала. Этап обучения и исследования нейронной сети осуществлялся с использованием программно-аппаратного комплекса «Neuro InT», разработанного в научно-исследовательской лаборатории "Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы", ЮФУ. Исследование макета нейронной сети показало, что все выходы успешно классифицируют входящие сигналы, максимизируя ток через соответствующие выходы для заданных входных значений. Предложенную структуру можно улучшить, добавив дополнительные два входа с постоянным высоким положительным и отрицательным потенциалом для реализации «сдвига» при работе нейронной сети. Полученные результаты могут быть использованы при разработке аппаратных нейронных сетей на основе мемристивных структур оксида титана

• ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ В ЗАДАЧЕ СЕГМЕНТАЦИИ НОР ГРЫЗУНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛУБОКИХ СВЕРТОЧНЫХ АРХИТЕКТУР

  М.А. Астапова

  19-30

  2025-04-27

  Аннотация ▼

  Исследуется применение нейросетевых архитектур для семантической сегментации нор
  грызунов с целью мониторинга их популяции на сельскохозяйственных полях. В частности, рас-
  сматриваются три модели для семантической сегментации: сверточный автокодировщик (САК),
  SegNet и U-Net. Эти модели применяются для анализа изображений, полученных с беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) и наземных роботизированных средств (РТС), что позволяет
  автоматически выявлять норы, минимизируя необходимость в трудозатратах при обработке
  больших объемов данных. Для обучения и тестирования моделей была подготовлена выборка,
  включающая 247 RGB-изображений, содержащих 1098 размеченных нор. Оценка показателей ка-
  чества семантической сегментации проводилась с использованием метрики Джаккара (IoU), в
  результате чего были получены следующие значения: 0,511 для САК, 0,548 для SegNet и 0,529 для
  U-Net. Была проведена оценка вычислительных ресурсов, необходимых для внедрения этих моделей
  в бортовые вычислительные устройства (БВУ) мобильных РТС. Рассмотрены два критерия: ко-
  личество операций с плавающей точкой (GFLOPS) и количество параметров моделей. Результа-
  ты показали, что SegNet требует 2,23 GFLOPS и имеет 0,76 миллиона параметров, что в 2,58 и
  2,33 раза меньше по сравнению с САК и U-Net соответственно. Количество операций с плавающей
  точкой для SegNet также оказалось на 2,43 и 1,88 раза ниже, чем у САК и U-Net соответственно.
  В результате, SegNet превзошла САК и U-Net как в эффективности сегментации, так и в требуе-
  мых вычислительных ресурсах. Данная работа выполнялась в рамках реализации системы компь-
  ютерного зрения сельскохозяйственной РТС.

• ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ COM-EXPRESS НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ ЭЛЬБРУС ДЛЯ БОРТОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

  Н.А. Бочаров , А.В. Глухов , Н. Б. Парамонов

  2022-04-21

  Аннотация ▼

  Исследования в области создания специализированных вычислительных комплексов
  для роботов ведутся во многих мировых научных центрах и в том числе в нашей стране.
  Развитие возможностей сенсорных систем, систем глобальной навигации, рост вычисли-
  тельной мощности и совершенствование алгоритмов позволяют создавать бортовые вы-
  числительные комплексы, обладающие широкими интеллектуальными возможностями.
  Важной, но нерешенной проблемой остается оснащение таких вычислительных комплек-
  сов микропроцессорами отечественного производства. Необходимость учета предельных
  массогабаритных характеристик, требований к системе охлаждения вычислительного
  комплекса, требований к бортовой электросети и потребляемой мощности, требований к
  производительности и к внешним интерфейсам обуславливают сложность и дороговизну
  разработки бортовых вычислительных комплексов. Отсутствие унификации вычисли-
  тельных модулей при разработке создает дополнительные сложности для разработчиков
  робототехнических комплексов, повышает конечную стоимость робототехнических ком-
  плексов и усложняет его модернизацию. Использование стандартизированного форм-
  фактора типа COM-Express позволяет разделить бортовой вычислительный комплекс на
  универсальную высокотехнологическую системную часть и плату-носитель. Микропроцес-
  сор, контроллер периферийных интерфейсов, оперативная память и жесткий диск разме-
  щаются на системном модуле, который выпускается большим тиражом и может быть
  заменен на более новый при появлении новых поколений отечественной вычислительной
  техники. Плата-носитель в свою очередь проста в разработке и дешева в производстве, а
  по своим характеристикам может быть скомпонована для конкретного робототехниче-
  ского комплекса. В данной статье рассмотрены вычислительные модули в формате COMExpress
  на базе отечественных микропроцессоров Эльбрус. Показана их применимость для
  создания перспективных бортовых вычислительных комплексов. Полученные авторами
  результаты говорят о перспективах импортозамещения в области робототехники.

• УПРАВЛЕНИЕ ГРУППОЙ БПЛА ПРИ ОТРАБОТКЕ КРИЗИСНЫХ ПОЛЕТНЫХ СИТУАЦИЙ В РЕШЕНИИ ТРАНСПОРТНЫХ ЗАДАЧ

  А.И. Савельев , В.В. Лебедева , И.В. Лебедев , К.В. Камынин , Л.Д. Кузнецов , А.Л. Ронжин

  2022-04-21

  Аннотация ▼

  В работе обоснована актуальность разработки алгоритмов управления группой БпЛА
  при возникновении кризисных ситуаций, влияющих на выполнение поставленной задачи по
  доставке грузов в труднодоступные места. Описан алгоритм автономного коллективного
  (децентрализованного) управления группой БпЛА при выполнении целевой задачи транспор-
  тировки грузов, а также комбинированного управления при возникновении кризисных ситуа-
  ций, когда режим автономного управления невозможно реализовать в полном объеме. Под-
  робно описан алгоритм отработки кризисной ситуации при нехватке энергетического ресур-
  са на борту БпЛА и возврате агентов группы на стартовую позицию. Представлены резуль-
  таты моделирование движения группы БпЛА мультироторного и самолетного типов и от-
  работки кризисной ситуации по управлению группой БпЛА на основе информации о запасах
  энергетических или топливных ресурсов. В ходе проведения экспериментов итеративно вы-
  полнялся расчет остатка топлива при движении БпЛА в точку посадки, а также количест-
  ва топлива, доступного БпЛА в данный момент времени. В результате экспериментов было
  выявлено, что время расчета остатка энергетического ресурса не превышает 6,792 мс.
  В случае, если топливо заканчивается у лидера, миссия транспортировки груза завершается
  досрочно, поскольку не может быть выполнена без участия лидера. При выходе из строя
  нескольких ведомых миссия может быть продолжена в том случае, если их количество не
  превышает заданного значения, критичного для продолжения миссии доставки груза. Приве-
  дены результаты экспериментальных исследований моделированию полета БпЛА с грузом, в
  ходе которых выполнялось построение полетной маршрута, имитирующего криволинейную
  траекторию движения в городских условиях от точки старта до конечной точки, где проис-
  ходит посадка БпЛА и передача груза. В экспериментах использовался разработанные БпЛА
  и бортовая система крепления термоконтейнера. При проведении летных испытаний сред-
  няя скорость горизонтального движения БпЛА была задана 10 м/с. Протяженность полета
  составляла 5350 м. Время, затраченное на полет, составило 13 мин. 51 с.

• ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МИКРОПРОЦЕССОРА ЭЛЬБРУС-8СВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕНИЙ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

  Н.А. Бочаров , А.Г. Зуев , О. А. Славин

  2021-04-04

  Аннотация ▼

  Исследования в области создания специализированных вычислительных комплексов для
  роботов ведутся во многих мировых научных центрах и в том числе в нашей стране. Развитие
  возможностей сенсорных систем, систем глобальной навигации, рост вычислительной мощ-
  ности и совершенствование алгоритмов позволяют создавать бортовые вычислительные
  комплексы, обладающие широкими интеллектуальными возможностями. Важной, но нере-
  шенной проблемой остается оснащение таких вычислительных комплексов микропроцессора-
  ми отечественного производства. Появление отечественных вычислительных и программных
  средств нового поколения, таких как микропроцессор «Эльбрус-8СВ» и ОС «Эльбрус» откры-
  вает новые возможности для разработчиков робототехнических комплексов. Пиковая произ-
  водительность микропроцессора «Эльбрус-8СВ» составляет более 0,25 ТФлопс двойной точ-
  ности, что позволяет решать вычислительно сложные задачи, например задачи технического
  зрения, на микропроцессоре. Другим важным требованием бортовой вычислительной техни-
  ки, помимо вычислительной мощности, является низкое энергопотребление. Как правило, на
  микропроцессорах общего назначения высокая вычислительная мощность невозможна при
  низком энергопотреблении, и для решения вычислительно сложных задач технического зрения
  используются специализированные процессоры, например, векторные или нейропроцессоры.
  Для снижения энергопотребления микропроцессоров общего назначения существуют специ-
  альные методы, среди которых авторами были рассмотрены: отключение физических ядер,
  снижение тактовой частоты, отключение конвейера, отключение синхроимпульсов в состоя-
  нии простоя. Авторами рассмотрены типовые задачи технического зрения, решаемые борто-
  выми вычислительными комплексами. Проведены экспериментальные исследования по оценке
  энергопотребления и времени выполнения алгоритмов технического зрения при снижении
  тактовой частоты и отключения ядер микропроцессора. Эксперименты показали возмож-
  ность снижения энергопотребления ядер микропроцессора Эльбрус-8СВ на 36-46% с увеличе-
  нием времени выполнения программ. По результатам эксперимента сделаны выводы о приме-
  нимости микропроцессора Эльбрус-8СВ для создания перспективных бортовых вычислитель-
  ных комплексов, имеющих возможность работы как в режиме высокой производительности,
  так и пониженного энергопотребления. Полученные авторами результаты говорят о пер-
  спективах импортозамещения в области робототехники.

• РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗИДЕНТНЫМ/ИНТЕРВЕНЦИОННЫМ АНПА НА ОСНОВАНИИ ПОВЕДЕНЧЕСКИХ МЕТОДОВ

  В.Ю. Занин, А. М. Маевский, И.В. Кожемякин

  2020-07-10

  Аннотация ▼

  Целью исследования является разработка комбинированных систем управления (СУ) автономным необитаемым подводным аппаратом (АНПА) интервенционного класса и манипуляторным комплексом (МК), установленным на АНПА. Аппараты такого типа яв-ляются важной составляющей подводных резидентных систем, которые позволяют рас-ширять спектр задач, выполняемых типовыми АНПА. Система носит многоуровневый характер, позволяющий на должном уровне описать определенные состояния и поведения аппарата в зависимости от поставленной задачи. Разработанная система отличается своей универсальностью и модульностью, что подразумевает быстроту в настройке/корректировке текущих задач, поставленных перед АНПА и простом внедрении и фор-мировании дополнительных задач со стороны оператора. В качестве примера, рассматри-вается задача, связанная с типовой работой резидентного АНПА – пробоотбор фракций грунта. Приведенные результаты натурных испытаний подтверждают работоспособ-ность предложенных подходов к управлению, с учетом внешних недетерминированных возмущений постоянного характера и моногармонического воздействия. В рамках выполнения поставленной задачи, описывается процесс формирования состояний АНПА, команд перехода между состояниями, формирования дерева поведений аппарата. Научная и практическая новизна полученных результатов, представленных в статье, состоит в реализации первого в РФ разработанного аппаратно-программного комплекса для АНПА, позво-ляющего обеспечить процесс пробоотбора грунта как в автоматизированном, так и ав-тономном режиме управления.