Аналитический синтез позиционно-траекторных систем управления подвижными объектами

В главе рассмотрены также вопросы повышения быстродействия манипуляционных модулей подвижных объектов, характерного для экстремальных сред. Постановка задачи. Без потери общности рассматриваемых результатов, предположим кинематическую безызбыточность манипуляционных модулей ПО, для которых справедливо равенство . Пусть желаемые траектории движения, определяемые требованиями технологической задачи, задаются в пространстве внешних координат или в пространстве обобщенных координат в виде [12]:

(24)

, (25)

где - дважды дифференцируемые функции своих аргументов.

а) траектории движения ПО к стационарной точке А_f в среде с выпуклыми препятствиями б) графики изменения бифуркационного параметра на траектории движения

в) траектории движения ПО к стационарной точке А_f в среде с линейными препятствиями г) графики изменения траекторной скорости V

д) траектории движения ПО к нестационарной точке А_f в среде с выпуклыми препятствиями е) траектории движения ПО к стационарной точке А_f в среде с нестационарными препятствиями

Рисунок 6 - Результаты моделирования движения ПО в априори
неформализованных средах

Для манипуляционного модуля, представленного моделями (4), (6),(7) требуется синтезировать такое управление , которое обеспечивало бы максимально возможную скорость движения вдоль траекторий (24) или (25) и удовлетворяло ограничениям на управляющие воздействия: , .

С учетом функциональной зависимости траекторной скорости V от координат пространства состояний, получен следующий алгоритм траекторного управления ММ [12]:

Рисунок 7 - Внешний вид АМР «Скиф»

Рисунок 8 - Внешний вид АМР «Стерх»

, (26)

,

,

,

, ,

где , - положительно определенные -матрицы задаваемых констант; K₁, K₂, K₃, J - функциональные матрицы соответствующей размерности.

Рассмотрен вопрос формирования профиля максимальной скорости на траектории движения, удовлетворяющего поставленной задаче.

В главе рассмотрены также вопросы реализации алгоритма управления (26) в классе систем с переменной структурой (СПС).

Полученные алгоритмы оптимального по быстродействию, траекторного управления и их структурная реализация позволяют организовать движение рабочего органа манипулятора вдоль заданных траекторий с максимальной траекторной скоростью. Причем предложенные законы управления могут быть реализованы как в классе непрерывных систем, что позволяет обеспечить «мягкую» отработку желаемых траекторий, так и в классе СПС, что придает замкнутой системе свойство малой чувствительности к изменению параметров.

В пятой главе диссертации приведены примеры реализации систем управления для колесного автономного мобильного робота (АМР) «Скиф», представленного на рисунке 7, а также для роботизированного воздухоплавательного комплекса (РВК) и АМР «Стерх» на базе мини-дирижабля, представленного на рисунке 8.

В главе исследованы математические модели динамики АМР «Скиф» и РВК, получены позиционно-траекторные законы управления, разработаны реализующие их функциональные схемы в рамках структуры, представленной на рисунке 1. Приведены результаты моделирования и испытаний, подтверждающие корректность полученных в работе теоретических положений.

Заключение и выводы по работе

В работе, на основании выполненных исследований разработаны теоретические и научно-практические положения, которые с единых методологических позиций позволили решить крупную научную задачу разработки систем позиционно-траекторного управления подвижными объектами, функционирующими в формализованных и априори неформализованных средах, и имеющую важное хозяйственное значение. В диссертации получены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в создание принципиально новых, высокоэффективных образцов вооружения, военной и специальной техники.

В работы получены следующие результаты:

1. Детерминантные условия управляемости ПО, которые, в отличие от известных процедур, позволяют сделать выводы об управляемости объекта на структурном уровне уже на стадии проектирования ПО.

2. Математические модели динамики манипуляционных модулей ПО при их движении вдоль заданных траекторий, что может быть использовано для синтеза высокоэффективных алгоритмов управления манипуляционными модулями.

3. Оригинальный способ формирования желаемых, в общем случае нестационарных, траекторий движения ПО в виде квадратичных форм внешних координат и скоростей, который позволяет расширить функциональные возможности ПО, а также сформировать новые требования к установившимся режимам движения изменением только коэффициентов квадратичных форм.

4. Обобщенные законы позиционно-траекторного управления и реализующие соответствующие структуры при различных моделях движения ПО, которые обеспечивают асимптотическую устойчивость планируемых траекторий в целом и грубость замкнутой системы. При этом обеспечивается минимизация квадратичного критерия качества.

5. На основе обобщенных алгоритмов позиционно-траекторного управления предложены алгоритмы позиционного, траекторного, позиционно-траекторного управления ПО, позволяющие организовать их движение из произвольной точки фазового пространства внешних координат в заданную, а также вдоль всех траекторий из класса квадратичных форм с заданной траекторной скоростью или без предъявления требований к траекторной скорости.

6. Процедура организации субоптимальных по быстродействию режимов движения мобильных роботов, в рамках траекторного управления, обеспечивающая максимальную производительность транспортных систем.

7. Процедуры выбора коэффициентов квадратичных форм, обеспечивающих решение задач группового и согласованного управления подвижными объектами.

8. Новый подход к организации движений автономных мобильных объектов в априори неформализованных средах, основанный на введении в систему репеллеров и бифуркационного параметра с целью формирования режимов неустойчивого движения при переходе от одной устойчивой траектории к другой устойчивой траектории.

9. Алгоритм субоптимального, траекторного управления манипуляционными модулями ПО, позволяющий обеспечить перемещение рабочего органа вдоль заданной траектории с максимальной скоростью, что может быть использовано в экстремальных средах.

Указанные результаты могут быть использованы для реализации высокоэффективных подвижных объектов и роботизированных комплексов на базе летательных и подводных аппаратов, наземных и воздухоплавательных средств, в задачах организации перемещений в априори неформализованных средах.

Публикации по теме диссертации

Учебник и монография:

1. Пшихопов В.Х. Математические модели манипуляционных роботов: Учебник. -М.: Физматлит, 2008. -124 с.

2. Пшихопов В.Х. Позиционно-траекторное управление подвижными объектами. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009.

Список публикаций, отражающих научные результаты автора, в изданиях, рекомендованных ВАК:

3. Чернухин Ю.В., Пшихопов В.Х., Писаренко С.Н., Трубачев О.Н. Программная среда для моделирования поведения адаптивных мобильных роботов с двухуровневой системой управления // Мехатроника, 2000. - № 6.
- C. 26-30.

4. Чернухин Ю. В., Пшихопов В. Х., Писаренко С.Н., Трубачев О.Н. Программно-аппаратный комплекс моделирования нейросетевых систем управления интеллектуальных мобильных роботов // Мехатроника. 2002. - № 1. - C. 27-29.

5. Пшихопов В.Х., Сиротенко М.Ю. Структурно-алгоритмическая реализация системы управления автономным мобильным роботом с нейросетевым планировщиком перемещений // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Интеллектуальные САПР». - Таганрог, 2004. - №3. - С.185-191.

6. Пшихопов В.Х., Корнеев И.Г. Структурно-алгоритмическая реализация комбинированной системы управления движением интеллектуальных мобильных роботов в экстремальных средах // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Интеллектуальные САПР» - Таганрог, 2004. - №3. - С.191-196.

7. Пшихопов В.Х. Дирижабли: перспективы использования в робототехнике // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2004. - №5. - С. 15-20.

8. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Структурный синтез автопилотов подвижных объектов с оцениванием возмущений // Информационно-измерительные и управляющие системы. - М., - 2006. - №1. - С.103- 109.

9. Пшихопов В.Х. Аттракторы и репеллеры в конструировании систем управления подвижными объектами // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». - Таганрог, 2006. (58). - С. 117-123.

10. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Сиротенко М.Ю., Носко О.Э., Юрченко А.С. Проектирование систем управления роботизированных воздухоплавательных комплексов на базе дирижаблей // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Перспективные системы и задачи управления». -Таганрог, - 2006. - № 3 (58). - С. 160-167.

11. Пшихопов В.Х., Сиротенко М.Ю., Гуренко Б.В. Структурная организация систем автоматического управления подводными аппаратами для априори неформализованных сред // Информационно-измерительные и управляющие системы. Интеллектуальные и адаптивные роботы. - М., - 2006. - Т. 4. - С.73-79.

12. Пшихопов В.Х. Оптимальное по быстродействию траекторное управление электромеханическими манипуляционными роботами // Изв. вузов. Электромеханика. - 2007. - № 1. - С. 51-57.

13. Пшихопов В.Х. Организация репеллеров при движении мобильных роботов в среде с препятствиями // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. - №2. - С. 34-41.

14. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Применение динамических моделей для оценивания требований к потребной мощности, управляемости и сенсорному обеспечению автономного воздухоплавательного комплекса // Информационно-измерительные и управляющие системы. - М., - 2008. - №3. - Т.6. - С.4-9.

15. Пшихопов В.Х. Управление подвижными объектами в априори неформализованных средах // Известия ЮФУ. Технические науки. -Таганрог, 2008. - № 12. - C.6-19.

Перечень основных публикаций, отражающих содержание
диссертационный работы

16. Пшихопов В. Х., Колесников А.А. Аналитический синтез нелинейных регуляторов робототехнических систем// Сб. докл. международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук», т.11. М.: из-во МГТУ, 1991, С.- 57-59

17. Колесников А.А., Пшихопов В. Х. Аналитический синтез нелинейных регуляторов позиционного управления манипуляционными роботами// Сб. тр. «Синтез алгоритмов сложных систем», вып.8, Таганрог, 1992, С.- 3-11.

18. Пшихопов В. Х. Аналитический синтез агрегированных регуляторов манипуляционных роботов// Сб. тр. РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем», вып. 9, Москва-Таганрог, 1997, 318 с., С.- 93-108.

19. Чернухин Ю.В., Пшихопов В.Х. Контурный регулятор для нейросетевой системы управления адаптивного мобильного робота// Сб. докл. Международной конференции «Интеллектуальные многопроцессорные системы (ИМС99)». - Таганрог, 1999. - с. 210-217.

20. Пшихопов В.Х. Оптимальное по быстродействию управление манипуляционными модулями мобильных роботов при их движении вдоль заданных траекторий // Сб. докл. Международной конференции «Интеллектуальные многопроцессорные системы (ИМС99)» - Таганрог, 1999. - С. 236-243.

21. Pshikhopov V.Kh. New Approach to the Design of the Near Time Optimal Path Following Controller for the Manipulating Robots. CD Proceedings of Int. Conf. «Mathematical Theory of Network and Systems», Perpignian, France, 2000.

22. Pshikhopov V.Kh., Chernukhin Yu.V. Path Following Regulator for Neural Network Implemented Control System of Adaptive Mobile Robot Moving with a Set Speed. CD Proceedings of Int. Conf. «Mathematical Theory of Network and Systems», Perpignian, France, 2000.

23. Pshikhopov V.Kh., Medvedev M.Y. Dynamic Control of Microrobots with State and Parameters Estimation. Proc. of the Second International Workshop on Microfactories (IMWF 2000), Fribourg, Switzerland, 2000. - Р. 145-149.

24. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Динамическое управление мобильными роботами с оцениванием внутренних координат состояния // Сб. тр. Северо-Кавказского научного центра высшей школы «Анализ и моделирование адаптивных, интеллектуальных систем». - Ростов-на-Дону. - Вып. 3. - 2000. - С. 21-27.

25. Пшихопов В. Х. Аналитический синтез синергетических регуляторов для систем позиционно-траекторного управления мобильными роботами // Сб. тр. научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. - С. 59-68.

26. Пшихопов В.Х., Чернухин Ю. В. Нейросетевое планирование и позиционно-траекторное управление мобильным роботом в априори неформализованной внешней среде // Сб. тр. научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» / Под научной ред. проф. Е.И. Юревича. - СПб. 2001. - С. 162-173.

27. Чернухин Ю.В., Пшихопов В.Х,. Писаренко С.Н., Трубачев О.Н. Моделирование нейросетевых систем управления интеллектуальных мобильных роботов // Сб. тр. Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления- SICPRO-2000», ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова. - М., 2000. - С. 1108-1114.

28. Чернухин Ю.В., Пшихопов В.Х., Писаренко С.Н., Трубачев О.Н. Иерархическое нейросетевое управление мобильными роботами в программной среде // Труды 1-й Международной конференции по мехатронике и робототехнике МиР-2000. - Т. 2. - СПб., 2000. - С.375-379.

29. Pshikhopov V.Kh., Chernukhin Yu.V., Medvedev M.Yu. Structural Synthesis of Dynamic Regulators for Position-Trajectory Adaptive Mobile Robots Control Systems on Base of Mini-Airships. Proc. of VII International SAUM Conference on Systems, Automatic Control and Measurements Vrnjachka Banja, Yugoslavia, 2001. - Р. 64-69.

30. Пшихопов В.Х. Позиционное, субоптимальное по быстродействию управление мобильным роботом // Журнал национальной Академии наук Украины «Искусственный интеллект». - 2001. - № 3. - С. 490-497.

31. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Бекишев А.В. Структурный синтез динамических регуляторов для позиционно-траекторных систем управления адаптивными мобильными роботами на базе дирижаблей // Сб. тр. научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» / Под научной ред. проф. Е.И. Юревича. - СПб., 2002. - С. 45-54.

32. Пшихопов В.Х., Корнеев И.Г. Система с переменной структурой для управления движением манипуляционных роботов // Сб. докл. Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», ИПУ РАН. - М. - С. 1785-1796.

33. Пшихопов В.Х. Оптимальное по быстродействию, траекторное управление лагранжевыми системами // Сб. докл. международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», ИПУ РАН, - Москва, 2003. - С. 1797-1808.

34. Пшихопов В.Х. Аналитическое решение задачи оптимального по быстродействию траекторного управления для манипуляционных роботов // Сб. тр. научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» / Под научной ред. проф. Е.И. Юревича. - СПб., 2003. - С. 172-183.

35. Пшихопов В.Х., Кравченко А.Б., Цымбал И.Г. Оптимальная по быстродействию система управления манипуляционным роботом для организации высокопроизводительных робототехнических комплексов // Сб. докл. международной конференции «Идентификация систем и задачи управления», ИПУ РАН, - Москва, 2003. - С. 1224-1229.

36. Пшихопов В.Х. Качественная оценка управляемости дирижаблей // Сб. тр. 1-й Всероссийской конференции «Мехатроника, автоматизация, управление». - М.: Новые технологии, 2004. - С. 468-472.

37. Pshikhopov V.Kh., Korneev I.G. The Combined Control System for Adaptive Manipulating Robots Operating in Extreme Environments. Proc. of VIII Int. SAUM Conf. on Systems, Automatic Control and Measurement. - Belgrad, 2004.
- Р. 250-255.

38. Pshikhopov V. Kh., Ivanov V.E. Analysis of Airships Controllability on Different Control Elements Constuction Method. Proc. of VIII Int. SAUM Conf. on Systems, Automatic Control and Measurement. Belgrad, Serbia and Montenegro, 2004. - Р. 107-110.

39. Pshikhopov V.Kh., Sirotenko M. J. Autonomous Mobile Robot Control Systems with Neural Network Motion Planners Design. Proc. of VIII Int. SAUM Conf. on Systems, Automatic Control and Measurement. Belgrad, Serbia and Montenegro, 2004. - Р. 239-242.

Перечень патентов по теме диссертации:

40. Пшихопов В.Х. Устройство позиционно-траекторного управления мобильным роботом. Патент РФ № 2185279. Бюлл. № 20. 2002.

41. Чернухин Ю.В., Пшихопов В.Х., Писаренко С.Н., Трубачев О.Е. Устройство управления адаптивным мобильным роботом». Патент РФ
№ 2187832. Бюлл. № 23. 2002.

42. Пшихопов В.Х. Устройство оптимального по быстродействию, траекторного управления манипуляционным роботом. Патент РФ № 2199775. Бюлл. № 6. 2003.

Размещено на Allbest.ru