Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор погрузочно-разгрузочных устройств с всенаправленными колесами и алгоритмов автоматического управления их движением 11
1.1. Проблемы использования ПРУ на базе тележек с всенаправленными колесами 11
1.2. Обзор алгоритмов автоматического управления ПРУ 15
1. Задача автоматического управления движением ПРУ 15
2. Методы навигации ПРУ 19
3. Методы решения задачи оптимального управления ПРУ 21
4. Алгоритмы стабилизации движения ПРУ 23
5. Методы идентификации параметров ПРУ 25
6. Алгоритмы коррекции положения ПРУ по анализу оптического изображения
1.3. Техническая постановка задачи решаемой в диссертации 34
1.4. Математическая постановка задачи 34
ГЛАВА II. Разработка мм тележки пру и общий алгоритм комплексного моделирования движения ПРУ 36
ILL Краткий обзор разработанных ММ тележки ПРУ с всенаправленными колесами 36
П.2. Математическая модель тележки ПРУ 38
1. Общее сведение 38
2. Используемые системы координат 39
3. Динамика тележки ПРУ 41
II.3. Алгоритм стабилизации движения ПРУ 54
П.4. Общий алгоритм имитационного моделирования системы «Опорная поверхность - ПРУ - ИВК - САУ» 54
ГЛАВА III. Идентификация параметров тележки пру в контуре адаптивного управления 56
Ш.І.Задачи идентификации массо-инерциальных характеристик тележки ПРУ.56
1. Идентификация массы платформы тележки ПРУ 56
2. Определение центра масс платформы тележки ПРУ 56
3. Идентификация моментов инерции тележки ПРУ 58
ІІІ.2. Определение момента инерции тележки ПРУ по идентифицируемой дискретной модели движения 61
1. Математическое обоснование 61
2. Методы идентификации параметров тележки ПРУ 63
2.1. Рекуррентный метод наименьших квадратов 63
2.2. Модифицированный вычислительный алгоритм рекуррентного метода идентификации по методу квадратного корня 64
3. Регуляторы с подстройкой параметров 66
4. Моделирование адаптивного управления для идентификации момента инерции тележки ПРУ 68
III.3. Определение момента инерции тележки ПРУ методом вращающихся координат с использованием непрерывной линейной модели движения 71
ГЛАВА IV. Оптимальное управление обходом пру препятствий . 72
IV. 1. Задача оптимального управления обходом ПРУ препятствий 72
1. Постановка задачи 72
2. Алгоритм решения задачи оптимального управления градиентным методом 75
IV.2. Численный алгоритм реализации градиентного метода решения задачи оптимального управления 77
ГЛАВА V. Коррекция координат пру с помощью ОЭС 82
V.I. Задачи автоматизированного распознавания изображений 82
1. Задача первичной обработки изображений 83
1.1. Первичная обработка изображения 83
1.2. Задача выделения контурных перепадов на изображении 84
2. Метод аналитической сегментации изображений 86
2.1. Содержание задачи аналитической сегментации на изображении априорно заданного объекта 86
2.2. Общее описание предлагаемого алгоритма решения поставленной задачи сегментации 87
2.3. Методика построения вторичного голосующего пространства. 88
V.2. Моделирование процесса распознавания изображений 94
ГЛАВА VI. Инерциальная система измерения 97
VI. 1. Математическая модель БИНС 97
1 .Системы координат, используемые для алгоритма БИНС 97
2. Кватернионы, используемые для алгоритма БИНС 98
3. Общий алгоритм определения параметров движения ПРУ по БИНС 99
4. Алгоритм работы ГИБ БИНС
4.1. Математические модели функции преобразования ДЛУ и ДУС 104
4.2. Моделирование процесса измерения линейных ускорений и угловых скоростей ПРУ 105
5. Алгоритм компенсации искажений измерений ГИБ 107
5.1. Компенсация погрешностей датчиков ГИБ 107
5.2. Компенсация погрешности установки ПСК относительно ССК 108
5.3. Компенсация неизмеряемого гравитационного ускорения 108
6. Начальная выставка 108
VT.2. Моделирования алгоритма работы БИНС 109
1. Моделирование «одношагового» алгоритма БИНС 112
2. Моделирование «интервального» алгоритма БИНС 113
2.1. Обновление кватерниона поворота 113
2.3. Обновление скорости ПРУ в ИСК 117
2.4. Обновление позиции ПРУ в ИСК 118
ГЛАВА VII. Реализация программного обеспечения и исследования точностных характеристик движения ПРУ 121
VII.1. Результаты моделирования адаптивного управления вращением ПРУ и
идентификации момента инерции тележки ПРУ 125
1. Адаптивное управление 125
1.1. Влияние фактора памяти 125
1.2. Влияние оценки постоянных составляющих управления и выходного сигнала 126
1.3. Влияние весового коэффициента науправление 127
2. Идентификация момента инерции тележки ПРУ 130
2.1. Первый метод определения момента инерции тележки ПРУ (по идентифицированной дискретной модели тележки) 130
2.2. Второй метод определения момента инерции тележки ПРУ (поисковый метод) 132
VII.2. Результат решения задачи оптимального обхода препятствия 133
1. Влияние весовых коэффициентов на решения задачи оптимизации 133
2. Влияние количество итераций на решение задачи оптимизации 135
VII.3. Результат моделирования позиционирования ПРУ на основе алгоритма обработки изображения элементов фиксации груза в точке доставки 137
VTI.4. Результаты моделирования алгоритмов БИНС ПРУ 138
1. Анализ влияния неточности калибровки ГИБ на точность БИНС 139
2. Анализ влияния числа кратности быстрых циклов (циклов -1) в одном медленном цикле (цикле - к) на точность БИНС 142
3. Анализ влияния алгоритма стабилизации на точность БИНС 142
4. Формирование требования по точности калибровки ГИБ 144
VII.5. Результаты моделирования итогового движения ПРУ от склада до точки загрузки ЛА 144
Заключение 145
Список использованых источников
- Алгоритмы стабилизации движения ПРУ
- Математическая модель тележки ПРУ
- Определение момента инерции тележки ПРУ по идентифицируемой дискретной модели движения
- Общий алгоритм определения параметров движения ПРУ по БИНС
Введение к работе
Актуальность работы. Для подготовки летательного аппарата (ЛА), осуществляющего перевозку груза, необходимо перемещать большое количество предметов от склада к месту загрузки ЛА и обратно. Использование человеческой силы для этой цели морально устаревшая технология и неэффективная, потому что нужно на ограниченной площадке перемещать много грузов и постоянно имеется риск травмы из-за «человеческого фактора» и угроза задержек в обслуживании ЛА. Погрузочно-разгрузочное устройство (ПРУ) на базе тележки повышенной маневренности, автоматически переводящееся груз по некоторой программной оптимальной траектории, сформированной и реализуемой по измерениям измерительно-вычислительным комплексом (ИВК) и рассчитанной в цифровой вычислительной машине (ЦВМ) тележки, позволяет преодолеть указанные недостатки.
Кроме того, поскольку пространство обслуживания ЛА является ограниченным, включающим в себя много препятствий, главным требованием к ПРУ является всенаправленное и точное управляемое движение. Тележка ПРУ, оснащенная всенаправленными колесами типа «омни» (омни-колесами), имеет ряд характеристик, обеспечивающих всенаправленное движение. В отличие от обычных колес, имеющих движение вперед или назад в плоскости диска, омни-колеса могут одновременно совершить два перпендикулярных движения с помощью роликов, расположенных на периферии диска колеса и свободно вращающихся вокруг своих осей, касательных к окружности диска. С этими особенностями маневра омни- колеса, тележка может достигать определенной точки пространства с заданной ориентацией без необходимости уточняющего движения назад и вперед (как в случае использования обыкновенного колеса), что позволяет уменьшить размер требуемого пространства зоны погрузки и сократить время обслуживания ЛА.
Обход препятствий является не менее важной и актуальной задачей при управлении движением тележки ПРУ. В ограниченном пространстве загрузки ЛА, на рассчитанной траектории движения тележки могут быть расположены и другие объекты. Во избежание столкновения с этими препятствиями, что может приводить к опасной ситуации, нужно осуществлять обход тележки препятствий по траектории, полученной как решение задачи минимизации критерия эффективности, обеспечивающего движения тележки вне запретной зоны, что требует разработки автономной системы измерения и оптимизации траекторий в бортовой ЦВМ.
Погрешности существующих автономных систем управления движением тележки ПРУ могут выводить тележку не в место, где производится установка груза на ЛА, а в место, смещенное на некоторое расстояние относительно планируемого места. Определение этого смещения, что весьма актуально для точного позиционирования ПРУ в месте установки груза на ЛА, требуются более точные методы измерения, чем позиционирование с помощью инерциальной системы. Кроме того, на конечном этапе необходим, очевидно, переход к системе координат, связанной с ЛА. Это в настоящее время можно реализовать с помощью оптической системы распознания элементов ЛА, участвующих в фиксации грузов на ЛА.
Указанные обстоятельства определяют актуальность разработки структуры, алгоритмов и программного обеспечения (ПО) ИВК подвижной тележки ПРУ повышенной маневренности (с омни-колесами), позволяющие производить доставку грузов со склада до места фиксации груза на ЛА и решающие поставленную задачу в автономном автоматическом режиме в условиях наличия препятствий на траектории движения.
Целью работы являются разработка и оптимизация алгоритмов ИВК управления движением ПРУ на базе тележки с тремя омни-колесами, построенных на основе информации о векторе состояния тележки, полученной от бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) и оптической системы позиционирования ПРУ на основе распознавания изображений элементов установки груза в целях доставки ПРУ от склада к точке установки груза в месте обслуживания ЛА с заданной точностью.
Достижение поставленной цели потребовало выполнение следующих этапов исследования:
-
Построение математической модели (ММ) движения тележки ПРУ с тремя омни-колесами по неровной опорной поверхности.
-
Разработка алгоритмов идентификации параметров тележки ПРУ.
-
Разработка алгоритма управления движением ПРУ
-
Разработка оптимального алгоритма обхода ПРУ препятствий.
-
Разработка ПО реализации алгоритмов ИВК.
-
Реализация алгоритма обработки изображения с автономной камеры ПРУ для определения местоположения ПРУ относительно базовых точек загружаемого ЛА.
-
Разработка комплекса сквозного математического моделирования управления движением ПРУ от склада до точки загрузки ЛА с анализом точности реализуемых траекторий.
Объектом исследований является контур управления ПРУ на базе тележки с тремя омни-колесами.
Предметом исследований являются алгоритмы и ПО бортового комплекса измерения и управления, обеспечивающие необходимую точность решения задачи доставки грузов.
Методы исследования базируются на теории измерения, управления, оптимизации, инерциальной навигации, распознании оптических изображений и имитационном моделировании.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
-
Построена наиболее полная динамическая ММ движения тележки ПРУ с тремя омни-колесами, учитывающая не только движение ПРУ на опорной поверхности, но и пространственное движение подпружиненной платформы тележки ПРУ, соединенной с колесами амортизаторами, что позволяет исследовать точность работы БИНС, расположенной на платформе.
-
Реализованы алгоритмы идентификации параметров тележки ПРУ методом адаптивного управления движением ПРУ, обеспечивающем допустимый характер движения ПРУ.
-
Разработан алгоритм и ПО оптимального обхода препятствий, полученный из решения градиентным методом задачи оптимизации заданного критерия качества траектории с модифицированным алгоритмом настройки шага приращения вектора управления.
-
Реализованы бортовые «одношаговый» и «интервальный» алгоритмы и ПО работы БИНС, входящей в ИВК ПРУ.
-
Применены методы определения относительных координат ПРУ и элементов фиксации груза на ЛА с помощью оптико-электронной системы (ОЭС).
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
-
-
Полная ММ движения тележки ПРУ с тремя омни-колесами по неровной опорной поверхности.
-
Реализация алгоритмов идентификации параметров тележки ПРУ в контуре адаптивного управления движением ПРУ.
-
Модификация градиентного алгоритма решения задачи оптимального обхода ПРУ препятствий.
-
Реализация алгоритма обработки изображения для определения текущего местоположения тележки ПРУ относительно заданных элементов ЛА с использованием трехмерного эталона элементов фиксации грузов на ЛА.
-
Реализация бортового «одношагового» алгоритма работы БИНС.
-
Реализация бортового «интервального» алгоритма работы БИНС.
-
Комплекс имитационного моделирования, реализующий все вышеуказанные алгоритмы на языке С++ (моделирования работы системы «Опорная поверхность - ПРУ - ИВК - САУ»).
Практическая ценность результатов работы определяется следующим:
-
-
-
-
Построены наиболее общая математическая модель движения тележки ПРУ с тремя омни-колесами и алгоритмы управления работой ПРУ на ограниченном пространстве.
-
Реализованные алгоритмы ИВК для данного ПРУ имеют универсальный характер и могут использоваться для любых подвижных объектов.
-
Получены требования к характеристикам датчиков гироинерциального блока (ГИБ) БИНС и точности калибровки, обеспечивающие точность управления ПРУ, реализующей последующую коррекцию положения ПРУ по анализу оптического изображения точки загрузки ЛА.
Внедрение и реализация. Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Приборы и измерительно- вычислительные комплексы» МАИ и включены в материалы, выполненные в НИР по темам 44271-03038 и ПБ847, что подтверждается соответствующим актом о внедрении.
Публикации. По основным результатам диссертационной работы опубликовано 4 научно-технические статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы (128 источника) и приложений, содержащих пояснительный материал. Работа представлена в виде 156 страниц основного текста, 121 страниц приложений, 11 таблиц и 47 рисунков.
Алгоритмы стабилизации движения ПРУ
Общая задача управления движением ПРУ заключается в уточнении характеристик ПРУ и в определении параметров траектории (задачи идентификации и задачи навигации), формировании управления движением центра масс (задачи управления траекторией) и формировании управления движением относительно центра масс (задачи ориентации и стабилизации) [20,21].
Задача автоматического управления траекторией и ориентацией ПРУ выполняется на трех этапах [21,22,23,24,25]: навигации, наведении и стабилизации. Первые два этапы реализуются в БЦВМ ПРУ до начала процесса управления (до начала движения ПРУ, до начала обхода препятствий, до начала коррекции смещения ПРУ от точки загрузки ЛА) для формирования программной траектории движения и требуемой ориентации ПРУ. На третьем этапе, во время движения, на основе информации о векторе текущего состояния ПРУ, полученной по обратной связи, формируются командные управления, устраняющие рассогласования между действительным и желаемым состояниями (траекторией и ориентацией).
На первом этапе формируется оптимальная навигационная траектория, обеспечивающая достижение цели управления. Траектория получается из решения задачи оптимизации некоторого критерия качества, такого как минимального пути от текущего местоположения к месту обслуживания, минимального расхода энергии, минимального времени движения и. т.д. Самым важным характером данного этапа является то, что задача оптимизации заданных критериев решается чисто математическим подходом, т.е. ПРУ рассматривается как материальная точка. При этом динамические характеристики исследуемого ПРУ как правило не учитываются, а оптимальная навигационная траектория может состоять из простых, элементарных участков: прямых, дуг и т.д., координаты концов и угловые характеристики которых задаются в качестве опорных параметров для формирования программной траектории [26].
В задачу управления траекторией входит определение потребных управляющих воздействий, которые обеспечивают приведение ПРУ в заданную точку опорной поверхности с заданной скоростью и в требуемый момент времени, с учетом текущих кинематических параметров движения, заданных ограничений и характеристик объекта управления [26]. Полученная в данном этапе траектория называется программной и должна проходить через опорные точки и минимально отклоняться от оптимальной навигационной траектории. Кроме того, т.к. в данном этапе ПРУ рассматривается как нелинейный объект со всеми масо-инерциальными характеристиками, в критерии качества должна учитываться требуемая ориентация ПРУ. Грубо говоря, программная траектория отличается от оптимальной навигационной траектории переходными процессами. Оптимальная навигационная, программная и стабилизируемая (фактическая) траектории показаны на рис. 1.3.
Траектории ПРУ в трех этапах задачи управления Параметры навигации и ориентации ПРУ определяются в задаче навигации и передаются по обратной связи системы управления в алгоритм управления для формирования командного управления. Поэтому на этапе стабилизации эта задача (задача навигации) вместе с задачей идентификации, задачей управления траекторией и задачей ориентации решается одновременно [25].
Задача управления движением ПРУ может выполняться либо в ручную, либо полуавтоматически, либо автоматически (с использованием САУ). При этом автоматическое управление движением ПРУ имеет большое преимущество над остальными: исключение полностью «человеческого факта» из процесса выполнения работы, что позволяет повысить точность управления и эффективность. Главной причиной, приводящей к трудности использования САУ для управления транспортными машинами, является сложность разработки алгоритмов при оценке дорожной ситуации и правильного (в смысле человеческого поведения) реагирования на опасную ситуацию при высокоскоростном движении. Однако, исследуемое в данной работе ПРУ используется для перевозки грузов с невысокой скоростью движения (максимально 1м/с) в специфическом месте работы. Кроме того, здесь считается, что препятствия, находящие на траектории движения ПРУ, являются неподвижными, что позволяет обеспечить высокую точность реализации алгоритма объезда ПРУ препятствий. Таким образом, высказанное ограничение САУ в данном случае можно преодолеть.
Поскольку место загрузки ЛА известно, а процесс перевозки грузов не является длительным по продолжительности, программная траектория движения ПРУ может быть получена на первых двух этапах решения задачи управления траекторией ПРУ. Тем не менее, обход ПРУ препятствий реализуется по оптимальным траекториям, полученным из решения в бортовой ЦВМ задачи оптимизации критерия качества, обеспечивающего движения ПРУ вне запретной зоны. При реализации найденной оптимальной траектории движения ПРУ от склада до места загрузки ЛА используем замкнутую систему стабилизации движения. Координаты точки начала движения и точки загрузки ЛА
На рис. 1.4 показана принципиальная схема САУ ПРУ, состоящей из исполнительных устройств (усилители мощности + двигатели), объекта управления (ПРУ), измерительно-вычислительного комплекса (ИВК - системы измерения + бортовой ЦВМ). Оценка вектора состояния ПРУ X(t) получается по бортовому алгоритму навигации, обрабатывающему первичные измеряемые параметры состояния Xia4(t), и передается в алгоритм регулятора для формирования сигналов управления U (і) (входные напряжения усилителей мощности) в целях устранения отклонения X(t) от желаемого вектора состояния X3od(t), рассчитанного в ЦВМ ПРУ на этапе наведения. 2. Методы навигации ПРУ Методы навигации классифицируются по способу определения координат местоположения ПРУ. По этому признаку классификации выделяют следующие методы: счисления пути, позиционные и обзорно-сравнительные [27,28]. Методы счисления пути дают возможность определить параметры навигации (координаты местоположения, линейные скорости) путем интегрирования во времени измеряемых скоростей и ускорений. При этом скорости и (или) ускорения измеряются оптическими кодирующими устройствами, датчиками Холла, доплеровскими датчиками, потенциометрами или инерциальными системами [28].
Позиционные методы навигации для ПРУ используют измерение первичных параметров, дающих линию или поверхность положения, полученное с использованием различных радиотехнических, астрономических, спутниковых, а также изодинамических, изобарических и других навигационной системы.
Обзорно-сравнительные методы навигации основаны на сравнении наблюдаемой (инфракрасными, радиолокационными, оптическими, оптико-электронными системами) окружающей местности с ее изображением с картой или ориентирной системой, заложенными в памяти ИВК [29].
Математическая модель тележки ПРУ
Земная нормальная система координат (ЗСК) OXYZg - начало координат — центр масс О ПРУ, ось OYg направлена по местной вертикали. Основная плоскость OXgZg совпадает с местной горизонтальной плоскостью, т.е. плоскостью, проходящей через точку О и перпендикулярной OY . Ось OX направлена с запада на восток параллельно касательной к географической параллели, а ось 0Zg расположена параллельно касательной к меридиану в направлении с севера на юг. Связанная система (ССК) OX YxZx. Начало координат - это центр масс О тележки. Плоскость OXxZx - плоскость, содержащая поперечное сечение платформы тележки и проходящая через точку О. Ось OYx направлена по продольной оси симметрии платформы (оси цилиндра) (см. рис. II. 1). ССК отличается от ЗСК тремя углами: углом курса у/ , углом тангажа 9 и углом крена у. Опорно-связанная система (ОСК) OXYZ - Начало этой системы совпадает с центром масс тележки, а ее основная плоскость OXZ параллельна плоскости OXZg. Ось ОГ совпадает с осью OYg, а ось ОХ является проекцией оси ОХх на горизонтальной плоскости. Ось OZ создает вместе с ОХ и OY правую систему. ОСК отличается от ЗСК углом курса у/ .
Каждое колесо тележки оснащено собственным двигателем постоянного тока с независимым возбуждением. Дифференциальное уравнение (операторное) силовой цепи управления двигателем [94]: Т L —J +(Т R +L)—J +RJ +Т ссоЛ+сб)=к U (ИЛ) у.м я 1,2 я V у.м я я і. я я я у.м е д е д у.м v J где TVM- постоянная времени усилителя мощности; к - коэффициент передачи по напряжению; Ья- индуктивность якорной цепи; Яя- сопротивление якорной цепи; се- коэффициент противоЭ.Д.С; J - ток якоря; U- входное напряжение якорной цепи; сод - угловая скорость вала двигателя.
Прежде чем приступить к изучению закономерностей движения тележки, необходимо описать динамику одного из ее важнейших устройств - омни-колесо. Движение омни-колеса является результирующим двух движений - движения «вперед» по вращению диска и движения «вбок» по вращению ролика. Эти два движения перпендикулярны друг другу, поэтому их можно рассматривать независимо. Известно [1,95,96], что момент сопротивления качению зависит не только от нормальной нагрузки, но и от смещения вектора этой силы от середины контактной поверхности. Для ролика, из-за значительного маленького размера плоскости вращения (поперечного сечения) по сравнению с диском колеса, его моментом сопротивления качению можно пренебречь. Это означает, что движение «вбок» каждого колеса можно рассматривать как абсолютное проскальзывание, поэтому для расчета не учитываем силы и моменты сопротивления качению роликов. Здесь необходимо отметить, что такое допущение можно сделать только для движения «вбок» колеса. Для движения «вперед» колеса, силы и моменты сопротивления существенно большие, вследствие чего тележка не будет проскальзывать, если скорость вращения колеса не превысит допуска.
Рассмотрим схему сил и моментов, действующих на колесо, катящееся без скольжения на недеформируемой поверхности. В этом случае считается, что все силы и моменты располагаются в вертикальной плоскости [95,96].
Здесь а - угол наклона опорной поверхности; hr- высота опорной поверхности в положении колеса; F— продольная составляющая реакции опорной поверхности; Rz— нормальная составляющая реакции опорной поверхности, смещенная относительно середины контактной поверхности на некоторое расстояние а\ FT— сила тяги колеса, т.е. составляющая равнодействующих сил, приложенных к колесу со стороны платформы тележки ; F — нормальная нагрузка колеса, составляющая из силы реакции амортизатора и веса самого колеса; Мк - момент, развиваемый элетродвигателем. В реальных условиях колесные ПРУ движутся по опорной поверхности со случайным микропрофилем [1,95], причем его ордината (высота) подчиняется нормальному закону распределения с нулевым математическим ожиданием, дисперсией ст. и определенной функцией корреляции. В данной работе для каждого колеса используем отдельный профиль, зависящий от времени и скорости. При этом ордината профиля (высота местоположения колес) имеет вид [95,97]: К =е т hri+ari\ll-e , (ІІ.4) где АГ- шаг дискретизации; - независимые нормальные случайные величины с нулевым математическим ожиданием и дисперсией, равной 1.
Определение момента инерции тележки ПРУ по идентифицируемой дискретной модели движения
В эксплуатации ПРУ транспортирует разные грузы, вследствие чего массо-инерциальные характеристики системы «тележка ПРУ-груз» изменяются и могут отличаться от расчетных. Это может приводить к увеличению неточности управления движением ПРУ [8,9]. Поэтому необходимо уточнять массо-инерциальные характеристики (центр масс, массу, моменты инерции) тележки ПРУ перед движением. 1. Идентификация массы платформы тележки ПРУ Масса платформы тележки ПРУ определяется на основе измерении деформации пружин амортизаторов, коэффициент жесткости которых уже известны по формуле: М = kfc + k2h2 + кгпъ I g , где kt, h,, / = 1,2,3 - коэффициенты жесткости и деформации пружин амортизаторов, g- ускорение сил тяжести. Масса груза является разности массы платформы с грузом и массы разгруженной платформы, которая является неизменяющейся: тгр= М -М0, где М0 - масса разгруженной платформы. Определение массы груза позволяет определить положение центра масс платформы с грузом. 2. Определение центра масс платформы тележки ПРУ Положение центра масс платформы тележки ПРУ определяется по следующим шагам: - корректировать положение груза по продольной оси (оси ОХх) ССК до тех пор, пока текущее значение угла тангажа не равно значению угла тангажа до загрузки (близко к нулю); - корректировать положение груза по поперечной оси (оси 0Z,) ССК до тех пор, пока текущее значение угла тангажа не равно значению угла тангажа до 3 В данной работе, когда говорится о платформе тележки, речь идет о платформе загруженной тележки, т.е. с грузом. загрузки (близко к нулю); - определить положение (высоту) центра масс относительно опорной поверхности. Рис. III. 1. Положения платформы Рис. III. 2. Положения платформы тележки ПРУ после загрузки груза (вид тележки ПРУ после загрузки груза (вид сбоку) сзади) Коррекция положения груза на платформе тележки осуществляется перемещающими механизмами в виде двухкоординатного стола. Как показано на рис. III. 1, если угол тангажа 3 0 (рис. III. 1,6), перемещающий механизм перемещает груз по продольной оси на право. Если 3 О (рис. III. 1,в)- перемещает груз на лево. При 3 = 0 процесс остановится (рис. III. 1,а). Коррекция по оси OZ аналогична (рис. Ш.2). Положение центра масс платформы с грузом У относительно опорной поверхности определяется после коррекции положения груза (рис. III. 1 ,а) по формуле: т LJ2 + r Y =ha+- —- Z-, 8 т +Мп гр О где h0 - высота центра масс платформы; L2 - высоты платформы (см. гл. II); гг высота центра масс груза относительно платформы тележки. 3. Идентификации моментов инерции тележки ПРУ
Поскольку ПРУ главным образом осуществляет вращательное движение по рысканию по опорной поверхности, точность определения момента инерции IYg тележки ПРУ относительно ее вертикальной оси 0Yg оказывает большое влияние на точность управления движением ПРУ. Пространственное движение платформы тележки ПРУ, обусловленное неровностью опорной поверхности, естественно слабо. Движение платформы с грузом по крену и тангажу становится большим только в начале движения (из состояния покоя), при тормозе или в начале обхода препятствия. Однако эти процессы происходят в достаточно короткое время (примерно 2-Зс, см. гл. VII), влиянием неточности определения момента инерции относительно оси крена и оси тангажа на точность движения ПРУ можно пренебречь.
Следовательно, стоит задача идентификации момента инерции IYg системы «тележка ПРУ-груз» относительно оси OYg. При движении ПРУ момент инерции IYg вычисляется по формуле (11.10) главы П: IYg = Ix sin2 3 + IY cos2,9cos2 y + Iz cos2,9sin2 у + 3(Iwy + тЦ), причем точность определения IYg главным образом определяется точностью определения момента инерции платформы тележки ПРУ относительно ее вертикальной оси (9 ,т.е. /г,т.к. sin219 «1, cos2i9sin2x :l,cos2i9cos2 «l, а последнее слагаемое не изменяется при загрузке. Поэтому данная задача превратится в задачу идентификации момента 1У. Задача идентификации момента инерции тележки ПРУ выполняется при реализации алгоритма адаптивного управления ее тестовым угловым движением вокруг вертикальной оси OYg [61,62]. Для этого необходимо подать на входе трех электродвигателей одинаковые напряжения, чтобы обеспечилось отсутствие всех других видов движения ПРУ, кроме вращения вокруг 07 . В этом режиме справедлива следующая формула: l Yg=IY+3(Iwy + mL2) или IY=l Yg-3(Iwy + mL ), (Ш.1) т.е. можно вычислять IY по (Ш.1) при известном IYg. Для определения момента инерции IYg тележки с грузом относительно оси OYg (в режиме вращения тележки на месте) методом параметрической идентификации сначала нужно найти линейную модель его движения (модель вращения). Поскольку напряжения в обмотках трех электродвигателей одинаковы, угловые скорости трех колес также являются равными, и поэтому из уравнения модели движения тележки получится: F = d) , cb = cb,,i = 1,2,3 (Ш.2) 3L, Применяем полученный результат в модели движения колеса: М, -М, =rF+(I +fmra)(b= f+7 +fmr а кг /і І V w J і і і/ QT 2 w J і і і (г21: ti (HI.3) -+7 +fmr\ v- i J Из нелинейной модели движения тележки нашли следующую формулу для крутящего момента колеса: M=iuc J -(іиМ , + М )-(і2мК ,+К )o)-i2M(L+I )d . кг m я V і см с.н J V вт.о вт.н J V О р В (Ш.З), т.к. fmr at значительно мало по сравнению с остальными слагаемыми (с принятыми в данной работе значениями параметров моделирования, значение fmr at меньше 0.06% остальных), им пренебрегаем. Получится:
Общий алгоритм определения параметров движения ПРУ по БИНС
В результате проведенного эксперимента (измерений, фотографирования, локации, облучения, сканирования и т.д.) получен некоторый информационный «портрет» искомого объекта. По этой информации необходимо, во-первых, классифицировать объект и, во-вторых, провести оценку его параметров, необходимых для решения последующих задач.
Как правило, в процессе наблюдения за объектом (проведения соответствующего эксперимента) накапливаются огромные информационные массивы данных. В то же время интересующие оценки должны быть получены, по существу, в масштабе реального времени. Эти два противоречивых фактора значимо усложняют практическое решение стоящих задач. Вместе с тем, в рассматриваемой задаче проблема размерности не является единственной. Наряду с ней значимой также является проблема шумов - искажений, которые в получаемые данные привносятся аппаратными средствами, использующимися для фиксирования первичной информации, а также имеющими место конкретными условиями проведения эксперимента по наблюдению за искомым объектом.
Обозначенные проблемы, как правило, решаются на основе следующих подходов.
Проблема размерности решается посредством синтеза многошаговых алгоритмов построения оценок. При этом на каждом его шаге осуществляется решение некоторых частньк задач в результате чего обеспечивается последовательное сокращение размерностей решаемых задач или количества обрабатываемых объектов.
Традиционными методами борьбы с обозначенными шумовыми эффектами являются методы привлечения априорной информации, а также самонастройки алгоритмов обработки по тестовым входным сигналам.
В общей теории анализа изображений под термином «изображение» принято понимать двумерную картину распределения яркости [113].
Изображение представляет собой искаженное (по отношению к хранимым эталонам) представление о наблюдаемом объекте. Эти искажения обусловливаются аппаратурой и условиями съемки (время съемки, положение Солнца, затенение и реализуемая освещенность объекта, угол зрения под которым проводится видеосъемка и др.), а также техническими средствами приема и передачи изображений (ограничениями на разрешающую способность соответствующих приемников изображения, шумовыми эффектами аппаратных средств, ограничениями на полосы пропускания каналов передачи и приема информации и др.).
Достаточно очевидно, что в совокупности эти факторы могут значимо влиять на качество принимаемого изображения. В результате необходима соответствующая обработка, цель которой - повысить качество исследуемых изображений для достижения наилучших показателей решения последующих задач - сегментации и распознавания объектов в реализованных условиях их наблюдения. Настоящая обработка называется предварительной или первичной, поскольку не содержит в себе элементов непосредственно анализа изображений. К основным задачам первичной обработки принято относить [84]: - изменение контраста изображения; - видоизменение гистограммы; - геометрические преобразования; - линейная и нелинейная локальная фильтрация; - обработка изображений с преобразованием и реставрация изображений.
Составной частью решения любой задачи сегментации является задача выделения и оценки параметров перепадов яркостей на изображении.
Выделение перепадов яркости является также значимым элементом и для алгоритмов построения границ искомых объектов в задачах сегментации, которые используют априорную информацию о искомом объекте. Для этого широко применяются методы пространственного дифференцирования [112,113].
Для обработки дискретного изображения с целью подчеркивания имеющих место на нем перепадов яркостей используются маски, которые по частотной классификации являются высокочастотными фильтрами [112]. Маски представляет собой некую квадратную матрицу, соответствующую указанной группе пикселей исходного изображения. Данный процесс фильтрации основан на простом перемещении маски от точки к точке изображения; в каждой точке (х,у) отклик фильтра вычисляется с использованием предварительно заданных связей.
В случае линейной пространственной фильтрации отклик задается суммой произведения коэффициентов фильтра на соответствующие значения пикселей в области, покрытой маской фильтра. Примером таких фильтров является класс фильтров на основе масок Лапласа:
Похожие диссертации на Оптимизация алгоритмов управления автоматическим погрузочно-разгрузочным устройством
-
-
-
-
-
-
