Управление подвижными объектами
Глава 1
ОБЗОР МЕТОДОВ И ПОДХОДОВ К СИНТЕЗУ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
В главе 1 анализизуруются проблемы в области конструирования систем управления движением, к наиболее важным из которых относится задача построения управления нелинейными, многосвязными системами, автономно функционирующими в условиях неопределенности параметров и возмущений, при наличии стационарных и нестационарных препятствий.
Рассматриваются полные модели движения подвижных объектов (ПО) на базе летательных аппаратов и колесных тележек, обсуждаются вопросы их упрощения, приводится структура их моделей, отражающая их многосвязность и нелинейность. Представлен обзор существующих методов и подходов к синтезу законов и систем управления динамическими объектами, описываемыми рассмотренными уравнениями движения, обсуждаются их достоинства и недостатки.
Глава 2
АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И СИНТЕЗ ОБОБЩЕННЫХ ПОЗИЦИОННО-ТРАЕКТОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПО
Подход к задачам управления, и не только подвижными объектами, требует наличия определенных этапов в процессе их решения. И первый из них – это вывод корректных математических моделей, с различной степенью адекватности отражающих тот или иной реальный объект или процесс, а также исследование важнейших качественных свойств объекта управления, например, управляемости. На основе математических моделей динамики и кинематики подвижных объектов (ПО) и манипуляционных модулей (ММ), рассмотренных в главе 1, анализируется свойство управляемости ПО, а также предлагаются модели динамики ММ в пространстве задаваемых многообразий.
Предлагается также процедура формирования траекторий движения ПО, удовлетворяющих поставленным задачам организации движения ПО. Осуществлена общая постановка задачи синтеза позиционно-траекторных законов управления ПО и изложена процедура их решения. Рассмотрены законы позиционно-траекторного управления при различных упрощающих предположениях о математической модели движения.
Приведены структурно-алгоритмические решения замкнутых систем и получены условия устойчивости планируемых траекторий. Предложена процедура оценки потребной энерговооруженности ПО и среднеквадратичного отклонения от заданной траектории.
Глава 3
УПРАВЛЕНИЕ ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ В АПРИОРИ НЕФОРМАЛИЗОВАННЫХ СРЕДАХ
Предлагаются структурно-алгоритмические решения для управления автономными мобильными роботами при их движении в среде с препятствиями в условиях неопределенности. При этом точечные препятствия трансформируются в репеллеры посредством синтезируемых управлений. Приведены примеры синтеза и результаты моделирования.
Рассмотрен подход к организации движений подвижных объектов в априори неформализованных средах. Новизна предлагаемых решений заключается во введении бифуркационного параметра для формирования режимов неустойчивого движения при переходе из одного устойчивого состояния в другое. Предлагаемый подход снижает требования к интеллектуальным технологиям планирования и управления, не требует предварительного картографирования, а также наличия сложной системы навигации.
Приведены результаты моделирования движения робота на базе колесной тележки в средах со стационарными и нестационарными целевыми точками и препятствиями различной формы.
Глава 4
ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪКТОВ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ
Необходимость обеспечения эффективного функционирования ПО представляет собой достаточно актуальную проблему при организации их движения. В зависимости от характера решаемой задачи, учета свойств робота и среды, критерии функционирования могут быть различными. При движении ПО в экстремальных средах или при наличии противодействия на передний план выступает необходимость минимизации времени перемещения ПО из произвольной точки пространства в заданную. Причем обеспечение позиционирования ПО в заданную точку требует использования процедуры оптимизации как на стадии планирования перемещений, так и на этапе их отработки.
Моделирование, идентификация и управление сложными динамическими системами в условиях неопределенности
В настоящее время существует существенный разрыв между подходами в гуманитарных и точных науках. На наш взгляд преодоление данного разрыва может быть осуществлено на снове работ в области создания систем управления сложными динамическими системами. Например, точкой соприкосновения может быть переход от общей содержательной модели к набору частных формальных моделей и использование математического моделирования для изучения свойств сложных систем.
При этом, с развитием различных гуманитарных областей, наблюдается тенденция формализации средств анализа, исследования и синтеза.
В современной теории управления существует ряд подходов, позволяющих формализовать процедуру выработки управляющих воздействий в условиях полного или частичного отсутствия модели объекта. Например, можно выделить адаптивные, робастные, нечеткие, нейросетевые и ряд других подходов.
В данной монографии развивается подход, позволяющий формировать эффективные управляющие воздействия в условиях неизвестной структуры и параметров объекта управления. При этом возможен синтез управления как в условиях частичной неопределенности, как в случаях с динамическим регулятором, так и в случае, когда уравнения объекта не используются в создании управляющего алгоритма.
Возможность построения оптимальных по быстродействию управлений в условиях неопределенности указывает на высокую грубость предлагаемых подходов, т.к. известна высокая зависимость оптимального по быстродействию управления от математической модели объекта и его начальных условий.
Кроме того, путем расширения пространства состояния системы, можно свести любой критерий к критерию оптимального быстродействия, что указывает на высокую универсальность представленных в третьей главе данной монографии алгоритмов.
Управление воздухоплавательными комплексами: теория и технологии проектирования
Все более возрастающая значимость мониторинга экологического состояния внешней среды (оценка степени загрязнения атмосферы промышленных зон, акваторий портов, зон с повышенной радиацией и т.д.), необходимость оперативного контроля за состоянием зданий, сооружений, мостов, скоростных автодорог, прогноза и наблюдения за природными явлениями (снежные лавины, извержения вулканов и т.п.), а также разработка новых телекоммуникационных структур требуют создания и применения новых систем и средств, эффективно реализующих отмеченные задачи.
С нашей точки зрения эти задачи могут быть эффективно решены посредством реализации систем мониторинга и диагностики на базе воздухоплавательных комплексов с использованием дирижаблей. К достоинствам дирижаблей следует отнести: высокий коэффициент грузоподъемности, дальность и продолжительность полета; возможность вертикального взлета и посадки; работу в режиме длительного зависания; безопасность в случае отказа силовой установки и системы управления; малый расход топлива; незначительно воздействие на окружающую среду; низкую стоимость эксплуатации (в 3-8 раз ниже, чем при использовании вертолета).
Разработка подобных систем в виде роботизированных воздухоплавательных комплексов (РВК) позволит автоматизировать процессы мониторинга, значительно снизить стоимость их проведения, минимизировать участие человека-оператора. Кроме того, предполагаемые сферы использования РВК, например, в условиях нестационарных и стационарных препятствий, а также при воздействии внешних возмущений, требует их реализации в классе адаптивных и интеллектуальных систем. Это позволит РВК вырабатывать стратегии движения в зависимости от состояния собственных параметров и окружающей среды.
В настоящей монографии предлагаются теория и технологии проектирования систем управления РВК, адекватно отражающих поставленные задачи и условия их функционирования.
В первой главе приведены классификация и обзор дирижаблей, дано общее представление о конструкциях дирижаблей, сферах их применения и современном состоянии дирижаблестроения. Рассмотрены перспективы использования дирижаблей в робототехнике, описаны режимы полета дирижаблей, на основе которых сформулированы цели работы систем управления РВК.
Во второй главе рассмотрены вопросы построения математических моделей дирижаблей, исследованы вопросы их аэродинамики, приведены результаты анализа качественных свойств дирижаблей по их линеаризованным моделям.
В третьей главе рассматриваются алгоритмы взаимосвязанного управления дирижаблями, функционирующими в априори формализованных средах. На основе обобщенных алгоритмов позиционно-траекторного управления предложены алгоритмы функционирования автопилотов при решении задач позиционного, траекторного, позиционно-траекторного управления дирижаблями, синтезированные по нелинейным многосвязным моделям их движения в средах со стационарными и нестационарными препятствиями.
Четвертая глава монографии посвящена разработке методов оценивания параметров, координат состояния и возмущений, применяемых в системах адаптивного управления дирижаблями, а также методам построения робастных систем управления дирижаблями на основе функций Ляпунова.
В пятой главе предложен подход к построению планировщиков перемещений РВК на базе сверточных нейронных сетей для случая, когда входными данными являются карта местности, цель и информация от системы технического зрения, а на выходе требуется сформировать коэффициенты траектории движения, задаваемой в виде квадратичных и линейных форм базовых координат.
В шестой главе описываются программные средства и технологии, позволяющие произвести практическую проверку полученных результатов методами компьютерного моделирования без проведения натурных экспериментов. Также рассмотрены возможности визуализации процесса и результатов моделирования.
Приводятся многочисленные примеры и результаты моделирования, подтверждающие эффективность предлагаемых методов и подходов.
Авторы выражают искреннюю признательность Российскому фонду фундаментальных исследований, а также своим друзьям и коллегам В.М. Березанскому, Г.Е. Вербе, В.Н. Голубятникову, Б.Г. Долгопятову, А.Н. Кирилину, В.И. Комченкову, О.А. Кутузову, И.А. Старостину, В.И. Ступникову, Е.И. Юревичу за поддержку многолетней работы авторского коллектива, результаты которой изложены в монографии.
Особую благодарность выражаем И.М. Ховансковой за помощь в оформлении монографии.
Авторы с признательностью воспримут замечания и пожелания по содержанию монографии, которые просим направлять по адресу: Ростовская область, 347928, г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44.
В издательстве ФИЗМАТЛИТ вышла в свет монография авторского коллектива НИИ РиПУ «Групповое управление подвижными объектами в неопределенных средах» под редакцией проф. В.Х.Пшихопова.
В развитии современной робототехники можно выделить два направления, первое из которых связано с разработкой узкоспециализированных робототехнических комплексов, решающих ограниченный круг задач, а второе направление связано с разработкой многофункциональных комплексов, предназначенных для решения широкого круга задач. Очевидно, что с точки зрения гибкости и универсальности многофункциональные комплексы при существенно более высокой стоимости их создания обладают преимуществами перед узкоспециализированными.
В свою очередь, многофункциональные робототехнические комплексы могут быть физически реализованы на базе одиночной сложной робототехнической платформы или на основе группы простых роботов с небольшим набором функций. Второй путь представляется наиболее эффективным, так как он позволяет решать разнообразные задачи с наименьшими затратами. Вместе с тем, эффективное применение групп роботов невозможно без разработки специальных систем группового управления.
Проблемы группового управления роботами, требующие решения задач децентрализации системы управления, кластеризации совокупности роботов и распределения целей, являются предметом повышенного интереса зарубежных и отечественных ученых, результаты исследований которых нашли отражение в большом количестве публикаций. Этот интерес вызван перспективностью применения групп роботов в различных областях человеческой деятельности и, одновременно, сложностью решаемых задач.
Во-первых, необходимо решить задачу определения количественного и функционального состава группы, что при использовании разнородных роботов становится особенно актуальным. Во-вторых, требуется решить задачу распределения целей и задач между роботами, с учетом характера целей, функциональных возможностей каждого робота и среды их функционирования. В-третьих, необходимо организовать взаимодействие роботов на коммуникационном уровне и согласовать их вне- и внутригрупповое поведение при достижении целей.
В четвертых, для обеспечения высокой надежности группы, требуется реализовывать децентрализованное управление, что приводит к распределенной структуре робототехнической системы.
В первой главе даются сведения о групповом управлении роботами. Приведены основные определения и рассмотрены основные стратегии группового управления. Сформулирована задача группового управления роботами с разным функциональным назначением для недетерминированной среды. Предложена структура управления роботом и показано взаимодействие его подсистем.
Во второй главе рассматриваются вопросы распределения целей в гетерогенной группе роботов. Представлен алгоритм целераспределения и синтеза структуры строя с прогностическими свойствами, учитывающий различное функциональное назначение роботов и произвольное количество целей.
В третьей главе выполнен обзор литературы с графо-аналитическими методами группового управления. Предложено несколько модификаций метода потенциальных полей, позволяющих решать задачу группового управления в сложных недетерминированных средах.
В четвертой главе рассматриваются вопросы применения нечеткой логики для планирования перемещения роботов в составе группы. Предложен алгоритм создания строя требуемой структуры с учетом функционального назначения роботов.
В пятой главе предлагаются структурно-алгоритмические решения для управления группами автономных мобильных роботов при их функционировании в средах с препятствиями или конфликтных средах. При планировании движений и управлении роботами стационарные и нестационарные препятствия трансформируются в репеллеры посредством синтезируемых управлений. Приведены примеры синтеза и результаты моделирования. Поставленные задачи решаются в рамках децентрализованных систем управления, с минимизацией обмена информацией между роботами группы. В локальные системы управления каждого робота вводятся репеллеры – отталкивающие многообразия, за счет которых происходит распределение объектов в группе. Предложены несколько алгоритмов локальных систем управления. Показано существование установившихся асимптотически устойчивых режимов в зоне действия репеллеров. Ряд алгоритмов не требует задающих воздействий и позволяет ввести коэффициенты, отражающие радиус действия роботов.
В издательстве ФИЗМАТЛИТ вышла в свет монография авторского коллектива НИИ РиПУ «Интеллектуальное планирование траекторий подвижных объектов в средах с препятствиями» под редакцией проф. В.Х.Пшихопова
В связи с расширяющейся сферой использования подвижных объектов (ПО) сегодня наиболее актуальной проблемой становится их разработка в классе автономных систем. Основными характеристиками таких ПО являются высокая и независимая от внешних воздействий автономность, возможность самостоятельного поиска целей, повышенная дальность действия, простота и оперативность применения.
Повышение степени автономности требует учета ряда особенностей, связанных с построением математических моделей ПО и внешней среды и расширением функциональных возможностей систем управления ПО.
Во-первых, необходимо использование динамических моделей ПО и среды функционирования, адекватных во всем диапазоне функционирования, включая уравнения кинематики и динамики, исполнительных механизмов, модели взаимодействия со средой, сенсорной системы.
Во-вторых, повышение автономности ПО требует решения актуальных задач, связанных с их функционированием в неопределенных средах и требующих адаптации к изменению состояния внешней среды.
В третьих, при автономном функционировании требуется разработка систем управления ПО современными методами, обеспечивающими не только управление исполнительными механизмами и движением, но и автономное принятие решений, а также планирование действий.
Таким образом, базовой проблемой становится повышение автономности ПО, которая, очевидно, решается с использованием интеллектуальных технологий, применяемых на всех уровнях системы управления, включая:
— уровень целеполагания, обеспечивающий формирование целевых функций, критериев, оценку выполнимости задачи, взаимодействие со стратегическим уровнем управления и корректировку целей;
— уровень управления, навигации и связи единичного ПО;
— уровень исполнительных механизмов.
В данной монографии под интеллектуальными технологиями понимаются технологии, позволяющие реализовать такие присущие человеческому поведению функции, как адаптация к неопределенной среде, возможность оценивать и моделировать текущее состояние, выполнять функции целеполагания и планирования действий.
Траектория движения ПО в неопределенной среде с препятствиями требует от системы управления точной реализации сложных кривых. В этой связи к нижнему уровню управления ПО предъявляются повышенные требования с точки зрения класса решаемых задач. В монографии предлагается реализовать нижний уровень системы управления в классе позиционно-траекторных систем, которые позволяют отрабатывать траектории, задаваемые линейными и квадратичными формами внешних координат ПО. Данный класс траекторий позволяет обеспечить гладкое движение ПО в среде с препятствиями и с достаточно высокой точностью. Кроме того, линейные и квадратичные формы представляют удобный аппарат для формального согласования уровня планирования и нижнего исполнительного уровня.
Реализация нижних уровней систем управления ПО в классе интеллектуальных технологий, а также проектирование всех уровней управления в едином интеллектуальном базисе будут рассмотрены в по следующих работах. В данной монографии рассматривается уровень планирования, формирующий траектории движения ПО на плоскости при наличии стационарных препятствий.
В первой главе монографии даются основные сведения о позиционно-траекторном управлении, формулируются решаемые в данной монографии задачи, определяется объект управления, среда функционирования, тестовые сцены и общая структура системы управления. Даются основные определения. Сформулированы критерии качества, по которым оцениваются все рассматриваемые методы планирования траекторий.
Во второй главе рассматриваются методы планирования траекторий движения ПО на базе нейросетевых и нейроподобных структур. Представлены три метода, исследованные на тестовых сценах. Первый рассмотренный метод является реализацией планировщика в классическом нейросетевом базисе в классе алгоритмов без памяти. Далее указанный метод модифицируется с точки зрения реализации на нейроподобных структурах с использованием формальных нейронов со ступенчатыми функциями активации.
В третьей главе рассматриваются вопросы применения формализма нечеткой логики для решения задач планирования траекторий ПО. На основе данного формализма предлагается метод планирования движения ПО на плоскости, который исследуется на тестовых сценах.
В четвертой главе разработан метод планирования траекторий движения ПО на плоскости с использованием генетических алгоритмов поиска на двумерном графе. Предложен вариант метода с картографированием и без картографирования.
В пятой главе исследованы графоаналитические методы планирования траекторий, базирующиеся на искусственных потенциальных полях и диаграммах Вороного. Представлены шесть распространенных алгоритмов, базирующихся на методе потенциальных полей, а также два варианта применения диаграмм Вороного для планирования траекторий ПО — с картографированием и без картографирования. Кроме того, в главе приведен обзор способов учета ограничений, накладываемых на траекторию динамикой ПО.
В шестой главе развивается метод планирования траекторий движения ПО на плоскости на основе бионического подхода, использующего для обхода препятствий неустойчивые режимы. Исследуется базовый позиционно-траекторный алгоритм управления движением с использованием неустойчивых режимов. Предлагается гибридный алгоритм, использующий неустойчивые режимы и концепцию виртуальной целевой точки.
В заключении проводится сравнение всех рассмотренных в монографии методов по предлагаемому интегральному критерию качества.
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МАНИПУЛЯЦИОННЫХ РОБОТОВ
В данном учебном пособии изложены формализованные процедуры вывода математических моделей манипуляционных роботов. Рассмотрены алгоритмы решения задач кинематики разомкнутых кинематических цепей, а также вывода уравнений динамики манипуляторов. Представлены модели динамики манипуляционных роботов в различных пространствах, с учетом двигателей и возможного взаимодействия с внешней средой. Приведены примеры вывода матмоделей.
Пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений.
Содержание