Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время, в связи с нарастающей автоматизацией сфер жизнедеятельности человека, робототехнические системы (РТС) нашли свое применение во многих областях науки, техники и промышленности. К современным автономным РТС предъявляются требования выполнения технологических задач в условиях частичной и полной неопределённости внешней среды, поэтому центральной проблемой, решение которой непосредственно связано с развитием РТС, является создание полностью автономных мобильных роботов (MP), действующих в недетерминированной внешней среде и инвариантных к внешним возмущениям.
Проблеме создания автономных MP посвящено достаточно большое число исследований, проводимых как у нас в стране, так и за рубежом. К наиболее значимым результатам, в рамках данной проблемы, можно отнести работы отечественных (Е.И. Юревич, А.С. Ющенко, С.Ф. Бурдаков, А.В. Тимофеев, И.А. Каляев, А.А. Колесников, Ю.М. Сафонов, А.И. Ко-рендясев, Ю.В. Чернухин, Ю.Г. Мартаненко, П.Д. Крутько, А.К. Платонов, А.А. Кирильченко, С.Г. Капустян, Г.Е. Веселов, В.Х. Пшихопов и др.) и зарубежных (Т. Braunl, Т. Bresciani, С. Canudas, G. Bastin, M.D. Adams, J. Borenstein, O. Khatib, D. J. Bennet, R. Abiyev, L. Beji) ученых.
Указанные авторы в своих работах представили результаты синтеза законов управления для мобильных роботов с учетом нелинейных составляющих системы, что позволило создавать регуляторы для сложных объектов управления. Однако в данных работах, в частности основанных на применении алгоритмов интеллектуального управления, учет нелинейных свойств системы носит частный характер, применимый к конкретным ситуациям, что делает РТС с данными законами управления органичной определенным конечным множеством рабочих ситуаций. Данный факт объясняется сложностью математических моделей MP - высоким порядком уравнений описывающих динамику их движения в пространстве. Не маловажным фактором, усложняющим задачу синтеза законов управления автономного MP, является недетерминированность внешней среды, характеризующаяся наличием препятствий различной формы и размеров. Поэтому в современных методах управления РТС реализованы специальные алгоритмы обхода объектов, мешающих передвижению автономного MP. Реализация данных алгоритмов основывается на применении методов интеллектуального и адаптивного управления, что неизбежно приводит к потреблению больших вычислительных ресурсов. Поэтому в настоящее время существует необходимость создания иерархической системы управления автономными MP, учитывающей нелинейные свойства каждого из уровней абстракции многомерной РТС, действующей в частично или полностью неопределённой внешней среде, без реализации специальных алгоритмов обхода препятствий.
В настоящее время, для решения задач анализа и синтеза законов управ-
ления объектами высокой размерности с нелинейными обратными связями, применяется синергетическая теория управления (СТУ), разработанная профессором А. А. Колесниковым. Основой СТУ является метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР), позволяющий синтезировать законы управления для расширенных нелинейных математических моделей объектов управления без применения процедуры линеаризации или других упрощений.
Таким образом, тема диссертации - прикладные методы синергетиче-ского синтеза иерархического управления автономными мобильными роботами, является актуальной.
Целью работы является повышение эффективности управления автономными MP, действующими в недетерминированной среде, за счет применения принципов и методов направленной самоорганизации, позволяющих учесть нелинейные свойства объекта управления.
Объект исследования. Объектом исследования являются методы и системы управления автономными MP.
Научная задача. Основная научная задача работы заключается в разработке синергетических методов синтеза законов управления MP различной конструкции, обеспечивающих повышение эффективности управления при существенной нелинейности моделей поведения объектов управления и частичной или полной неопределенности внешней среды. В соответствии с поставленной научной задачей в работе решаются следующие частные научные задачи:
проведение анализа существующих методов управления автономными MP;
разработка методов, позволяющих повысить эффективность управления автономными MP наземной и воздушной конструкции за счет применения принципов и методов направленной самоорганизации в иерархическом управлении РТС;
разработка алгоритмов восстановления трехмерной карты местности, применяемых для определения недетерминированных препятствий;
разработка методики синтеза синергетических стратегий обхода динамических недетерминированных препятствий различной формы;
разработка синергетических законов управления исполнительными приводами инвариантных к внешним возмущениям.
Научная новизна работы. Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:
разработанные прикладные методы синергетического синтеза иерар
хических систем управления наземных и воздушных автономных MP,
отличаются от существующих методов управления РТС, адаптивно
стью к внешним возмущениям и учетом внутренней нелинейной дина
мики объекта управления, позволяющей повысить общую эффектив
ность системы;
разработанный алгоритм обнаружения препятствий по видеоинформации, в отличие от аналогов, основан на применении кластеризации изображений стереопары, что позволяет сократить трудоемкость процедуры построения трехмерной модели рабочей области MP;
предложенная методика синтеза «аттракторно-репеллерных» стратегий, применяемых в синергетических законах управления автономными подвижными объектами, позволяет получать модифицированные стратегии управления MP, реализующие обход недетерминированных препятствий, посредством искажения фазового пространства объекта управления. Существенным отличием разработанной методики от существующих является инвариантность к форме и размерам препятствия, причем данное свойство достигается за счет использования в качестве основы законов управления, синтезированных синергетиче-скими методами, что приводит к получению естественного обхода препятствий, без применения специальных трудоемких алгоритмов.
Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации прикладные методы синергетического синтеза иерархических стратегий управления MP как наземного, так и воздушного типа позволяют создавать полностью автономные MP, выполняющие различные технологические задачи в условия с изменяющимися внешними возмущениями, а методология синергетического синтеза «аттракторно-репеллерных» стратегий обхода недетерминированных препятствий в связке с алгоритмом восстановления трехмерной сцены внешней среды позволяет расширить область применения MP в условиях динамически изменяемой рабочей среды.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались: теория автоматического управления, синергетическая теория управления, теории дифференциальных уравнений, методы математического моделирования динамических систем, методы динамики твердого тела, аэродинамики, методы и алгоритмы обработки цифровых изображений, алгоритмы стереофотограмметрии. Для исследования динамических свойств разработанных методов использовались прикладной математический пакет Maple 6 и среда программной разработки Visual Studio 2010.
Наиболее существенные положения, выдвигаемые для защиты:
учет внутренней динамики системы приводов, позволяет повысить эффективность выполнения технологических задач автономными MP.
применение кластеризации изображений стереопары позволяет сократить трудоемкость алгоритма построения трехмерной карты рабочей зоны MP.
представление препятствия в виде репеллера, а желаемого конечного состояния MP в виде аттрактора позволяет создавать безопасные траектории движения MP без привлечения специальных алгоритмов обхода объектов внешней среды.
Наиболее существенные новые научные результаты, выдвигаемые для защиты:
прикладной метод синергетического синтеза иерархического управления наземными и воздушными MP, позволяющий создавать законы управления, учитывающие внутреннюю динамику системы приводов, тем самым, повышая эффективность при выполнении технологических задач;
алгоритм восстановления трехмерной сцены внешней среды, отличающийся применением кластеризации изображений, и позволяющий определять расстояние от MP до препятствий;
методика синтеза «аттракторно-репеллерных» стратегий обхода недетерминированных динамических препятствий различной формы, отличающаяся применением основных понятий синергетики при обозначении препятствия, и позволяющая модифицировать синергетиче-ские координирующие стратегий позиционного и траєкторного управления, с целью формирования безопасной траектории движения MP без привлечения специальных алгоритмов обхода объектов внешней среды.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение в научно-исследовательских разработках кафедры синергетики и процессов управления факультета информационной безопасности Южного федерального университета в рамках выполнения грантов РФФИ №10-08-00912-а и №13-08-00794А, а также в учебных дисциплинах «Синергетические технологии управления подвижными объектами», «Синергетический синтез иерархических систем управления робототехническими и мехатронными системами» и «Современные методы системного синтеза робототехническими и мехатронными системами», реализуемых на кафедре синергетики и процессов управления в рамках учебных планов подготовки магистров по направлению 220100 - Системный анализ и управление и аспирантов по специальности 05.02.05. Роботы, мехатроника и робототехнические системы.
Публикации и апробация работы. Всего соискателем по теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК.
Научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (ЮНЦ РАН 2011, ЮНЦ РАН 2012); международных научных конференциях («XXXVII Гагаринские чтения» 2011, «Королёвские чтения» 2011, «Системный синтез и прикладная синергетика» 2011, «Аналитическая механика, устойчивость и управление. Четаевские чтения» 2012); всероссийских конференциях аспирантов и студентов (ELDIC 2011, ELDIC 2013, ИТСАУ 2011, ИТСАУ 2012, КР-ЭС 2012, УТЭОСС-2012, УИнтЭргОС-2013, Вузовская Наука СКФО 2013);
X Международном научно-техническом форуме «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии (ИнЭРТ-2012)», г. Ростов-на-Дону; Всероссийской НТК с международным участием: «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (КомТех-2013) г. Таганрог; 6th Chaotic Modeling and Simulation International Conference Istanbul, Turke June 11-14 (CHAOS 2013).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 181 страницах и содержит 65 рисунков и 7 таблиц. Список использованных источников включает 157 ссылок на научную библиографию по теме проводимых исследований в диссертационной работе.
