Введение к работе
Актуальность темы. Предметом диссертационной работы являются задачи управления колесными роботами (КР) в нестационарной внешней среде, представленной движущимися внешними объектами различной геометрической формы. Геометрия и динамические свойства внешних объектов определяют желаемую траекторию движения КР. Поэтому указанные задачи относятся к специальному классу задач траєкторного управления.
Основными областями применения современных КР являются: строительство, горное дело, атомная энергетика, космическая техника, сельское хозяйство, погрузочно-разгрузочные работы, медицина. Первые попытки создания промышленных КР были связаны с построением гибких производственных систем. Движение робота осуществлялось по траектории, заложенной в память контроллера, либо по физически детектируемой трассе магнитной или светоотражающей полосе. В последнем случае системы управления КР решали задачи контурного управления (см. работы М. Вукобратовича, С.Л. Зенкевича, АС. Ющенко, А.А. Первозваьского, А.В. Лямина, Ю.Г. Марты-пепко, Е.П. Попова, А.Ф. Верещагина, А.В. Тимофеева, Е.И. Юревича, G. Campion, С. Canudus de Wit, В. Siciliano, G. Bastin, W. Dixon, D. Dawson и
ЛР-)-
Следующиий этап создания колесных роботов быт связан с увеличением
спектра решаемых задач при движении в неструктурированном пространстве. Ограничение рабочего пространства в виде внешних стационарных объектов приводило к необходимости усовершенствования измерительного оборудования, предназначенного для обнаружения внешнего объекта и определения его местоположения, а также усложнению конструкции КР и использованию более маневренных полноприводных моделей робота.
При решении задачи движения КР вдоль заданной траектории можно
выделить два основных подхода в управлении КР: программный и траек-
торный (контрурный). Первый подход основан на классических принципах
построения следящих систем, а второй предполагает использование совре
менных методов стабилизации движения. Метод программного управления
КР предусматривает построение специального задающего устройства, кото
рое осуществляет генерацию параметризованной временем траектории и ис
пользование следящей системы, обеспечивающей отработку заданной про
граммы. Наличие задающего устройства и необходимость перестройки про
граммы эталонного движения при изменении характера движения КР опре
деляют основные недостатки этого подхода. Метод траєкторного управления
ориентирован на использование текущих значений отклонений (вычисляе
мых или измеряемых) от заранее заданной траектории (трассы) и исключает
необходимость приатечения генераторов эталонной программы. Текущие зна
чения отклонений служат основной информацией для решения задачи ста
билизации положения КР на заданной, тр?ектРРШ, е- ^задача сводится к
частичной стабилизации імЛШай*АіІІВЙШ^МА%:
3 сп
5 оэ
I БИБЛИОТЕКА |
В отличие от стандартных задач управления движением в ограниченном пространстве, в целом ряде практических случаев внешнее окружение КР представлено подвижными объектами. Задачи управления роботами в нестационарной внешней среде возникают при необходимости обхода движущихся препятствий, при организации совместной работы нескольких КР и т.д.
Целью управления КР в динамически изменяющейся внешней среде является движение по траектории, обеспечивающей обход внешнего объекта или скоординированное с ним перемещение в пространстве. Таким образом, траектория или ее отдельные участки определяются текущим положением и формой подвижных внешних объектов, т.е. являются нестационарными. Такие требования к системам управления КР приводят к необходимости разработки новых, более совершенных алгоритмов управления движением.
Большинство работ, посвященных движению КР в динамической среде, представляют собой развитие методов программного управления и предусматривают перепланирование участка эталонной траектории в процессе изменения внешней среды (см. работы N. Faiz, P. Fiorini, О. Khitib, Y. Tanaka и др.). Такой подход требует высокой скорости реализации алгоритмов планирования движения и не допускает эффективного использования текущей информации о состоянии объектов ближнего окружения. С другой стороны, известные алгоритмы траєкторного управления в условиях нестационарное желаемых траекторий часто приводят к значительным ошибкам.
Таким образом, отсутствие общих методик управления движением КР в динамически изменяющейся внешней среде и недостатки существующих алгоритмов программного и траєкторного управления определяют необходимость развития методов и систем нелинейного управления движением КР.
Предварительные результаты исследований управляемого движения КР относительно подвижных внешних объектов, представленные в работах С.Ф. Бурдакова, И.В. Мирошника и др., показывают перспективность систем траєкторного управления, в которых управляющие воздействия формируются на основании текущей информации об относительном перемещении КР в системе координат движущегося внешнего объекта.
Настоящая работа посвящена развитию методов траєкторного управления КР, разработке алгоритмов траєкторного управления роботами различной сложности и кинематической структуры в условиях их взаимодействия с подвижными внешними объектами, когда траектория движения определяется геометрией движущегося объекта и может быть задана в подвижной системе координат.
Целью диссертационной работы является исследование свойств КР в изменяющейся внешней среде, разработка методов и алгоритмов управления траекторным движением. В работе были поставлены и решены следующие задачи:
- анализа математических моделей КР, ограничений, порождаемых подвижными внешними объектами, и методов управления в нестационарной
внешней среде;
разработки общего метода синтеза алгоритмов управления траєкторним движением кинематических и динамических моделей КР относительно подвижного внешнего объекта;
синтеза алгоритмов управления траекторным движением двухпривод-ных КР с различной компоновкой колес;
разработки пакета моделирования управляемого движения КР в нестационарной внешней среде.
Методы исследования. Для получения теоретических результатов использовались методы теории устойчивости и дифференциально-геометрические методы теории нелинейных систем. Анализ динамических и точностных свойств предложенных систем управления проводился методами математического моделирования с использованием разработанного пакета WMRSim 1.0. Достоверность результатов подтверждается аналитически, а также результатами моделирования. Научная новизна работы:
предложен метод решения задач управляемого траєкторного движения КР в нестационарной внешней среде, который в отличие от известных методов предусматривает сведение нестационарной траекториой задачи к задаче управления движением КР в подвижной системе координат внешнего объекта (п. 3.1);
получены новые задачио-ориеитированные модели для кинематического и динамического описания КР в системе координат внешнего объекта (ни. 3.2,3.5);
предложен новый алгоритм управления траекторным движением КР, который позволяет устранить скоростную, ортогональную и угловую составляющие отклонения от заданной траектории за счет компенсации внутренних возмущений и частичной стабилизации системы (пп. 3.2, 3.5);
предложены частные алгоритмы управления двухприводными КР с различной компоновкой колес (глава 4).
Практическая значимость и реализация результатов. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в системах управления автономными КР, которые применяются в сельском хозяйстве, строительных, инспекционных;, погрузочно-разгрузочиых работах, космических исследованиях, бортовых автопилотах автомашин, медицине, домашнем хозяйстве и т.д. Разработанный пакет моделирования WMRSim 1.0 (глава 5) позволяет проводить исследования практических систем траєкторного управления различного типа.
Апробация работы. Работа выполнена на кафедре систем управления и информатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики в рамках тематики работ лаборатории кибернетики и систем управления по государственной бюджетной теме № 29816 "Развитие методов нелинейного и адаптивного управле-
ния сложными динамическими системами", по грантам Российского фонда фундаментальных исследований № 01-99-00761 "Методы нелинейного и адаптивного управления пространственным движением сложных механических системой К* 02-01-01164 "Методы частичной стабилизации в задачах управления движением и адаптации сложных механических систем", а также по персональному фанту № М00-3.11К-190 "Управление траекторпым движением сложных механических систем" студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов в области гуманитарных, естественных, технических и медицинских наук, культуры, искусства в категории "Кандидатский проект" научного направления "Автоматика, телемеханика. Вычислительная техника" конкурсного центра фундаментального естествознания Минобразования РФ и по гранту конкурса "мае" Российского фонда фундаментальных исследований № 01-01-06330. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 8-й Международной студенческой олимпиаде по автомагическому управлению ВОАС2000 (Санкт-Петербург, Z0OO г.), XXXI и XXXIII Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО(ТУ) (Санкт-Петербург, 2002 и 2003 гг.), Международной конференции по передовой и интеллектуальной робототехнике ШЕЕ/AS ME (Комо, Италия, 2001), III и IV Научно-технических конференциях молодых ученых "Навигация и управление движением" (Санкг-Петербург, 2001 и 2002 г.г.), пленарном заседании I конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2004 г.).
Публикации работы.По материалам диссертации опубликовано бра-бот.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, приложение и список литературы, насчитывающий 93 па-именования. Основная часть работы изложена на 154 страницах машинописного текста.
Похожие диссертации на авторефУправление траекторным движением колесных роботов относительно подвижных объектов
