Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Современным перспективным направлением робототехники является создание мобильных роботов, автономно перемещающихся относительно длительное время по открытой пересеченной местности. Создание таких роботов позволит сравнительно дешево и без опасности для здоровья людей решать комплекс задач, связанных с защитой и охраной окружающей среды, разведкой местности в интересах различных организаций. Основные трудности при этом состоят в создании алгоритмического обеспечения, позволяющего автоматически управлять движением роботов, используя информацию о его положении относительно инерциальной системы координат и препятствий местности.
Указанные факторы обусловливают неослабевающий интерес к решению проблем синтеза алгоритмов работы систем автоматического управления автономным движением мобильных роботов. Различным аспектам этой проблемы посвящены работы отечественных (А.Р. Гайдука, Н.А. Глебова, В.Н. Голубятникова, И.А. Каляева, С.Г. Капустяна, В.М. Лохина, С.В. Манько, М.Ю. Медведева, Р.А. Нейдорфа, Ю.В. Подураева, В.Х. Пшихонова, Е.И. Юревича, А.С. Ющенко, С.В. Петрова, П.К. Плотникова, В.Б. Никишина и др..) и зарубежных (A.B. Moutinho, E. Hygounenc, P. Soueres, I. Jung, S. Lacroix, G.C. Avenant, C.H. Hong, K.C. Choi, B.S. Kim) ученых.
Однако при наличии большого числа публикаций, в которых используются как классические, так и современные подходы к синтезу алгоритмов обработки информации и управления, задача остается не решенной в полной мере. Это связано с излишней идеализированностью ее постановки, не учитывающей принципиальную невозможность знания точной математической модели робота, из-за отсутствия требуемого учета возможностей и характеристик реальных датчиков и желания авторов решить плохо формализуемую проблему управления при наличии большого количества разнородной информации на основе одного, иногда достаточно сложного алгоритма.
Таким образом, актуальность задачи создания алгоритмов работы системы управления мобильных роботов, с одной стороны, определяется их востребованностью мобильных роботов, с другой – отсутствием работоспособных процедур, позволяющих успешно управлять движением роботов по пересеченной местности.
Целью диссертационной работы является анализ и синтез алгоритмов обработки информации системой управления мобильного робота, расширяющих его возможности автономного перемещения по открытой пересеченной местности.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующего ряда задач диссертационного исследования:
создать стратегию управления движением мобильного робота по пересеченной местности, выбрать структуру системы управления;
разработать алгоритм формирования программной траектории объезда препятствий местности и проезда внутри группы препятствий;
разработать методику построения регуляторов, обеспечивающих отслеживание роботом программной траектории с заданной точностью;
разработать комплекс программ для проверки работоспособности предложенных алгоритмов на основе математического моделирования.
Методы исследования основаны на использовании теорий управления, системного анализа, аналитической механики, нелинейных систем, наблюдения и фильтрации, интеллектуальных систем, теории матриц, на методах имитационного моделирования.
Научная новизна работы:
на основе системного анализа поставлена и формализована задача управления движением мобильного робота по пересеченной местности, отличающаяся применением для решения метода декомпозиции, при этом исходная задача заменяется на несколько относительно простых, что позволило предложить стратегию управления и структуру системы управления;
разработан алгоритм формирования программной траектории, отличающийся учетом информации от системы технического зрения, ограничений на управление, что позволило обеспечить заданную точность объезда роботом препятствий местности и перемещения внутри их группы;
разработана методика построения систем, отличающаяся учетом ограничений на скорость и отклонение органов управления объектов, базирующаяся на результатах анализа влияния на динамику и устойчивость систем этих ограничений, что позволило максимизировать полосу пропускания системы, или минимизировать отношение ограничения по скорости к ограничению по отклонению.
Практическая ценность работы состоит в том, что использование ее результатов позволяет:
- придать мобильным роботам новые функциональные возможности, существенно повысить сложность преодолеваемого рельефа и увеличить возможность успешного прохождения маршрута;
- обоснованно выбирать конфигурацию, комплектацию системы и основные технические характеристики ее блоков.
На защиту выносятся:
1. Стратегия управления движением мобильного робота по пересеченной местности и структура системы управления.
2. Алгоритм формирования программной траектории объезда препятствий.
3. Результаты анализа и методика и построения систем, на органы управления объектов которых наложены ограничения по скорости и отклонению.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены на Международной научной конференции «Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50), (Саратов, 2009 г.); ХХШ Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», (Псков 2010 г.); Российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения», (Москва, ИПУ РАН, 2010 г.); Всероссийской конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», (Саратов, 2010 г.); ХIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», (Саратов, 2011 г.); Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации АТМ-2011», (Саратов, 2011 г.).
Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационное исследование выполнено в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013» по теме «Разработка распределенной вычислительной среды для создания систем управления жизненным циклом мобильных мехатронных комплексов» (ГК № 02.740.11.04 82, 2010–2011 г.г.); НИР «Разработка алгоритмического обеспечения системы управления мобильного робота» (ГК №8758р/13975 от 14.11.2011). Результаты исследований используются в Институте проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов), других организация, а также при подготовке специалистов в СГТУ им. Гагарина Ю.А. Работа поддержана грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе УМНИК.
Публикации. Основные положения диссертации достаточно полно изложены в 16 печатных работах из них 6 статей - в журналах из перечня ВАК, 2 - свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы из 144 наименований, 3 приложения, рисунков - 72 и 1 таблицу. Основное содержание работы изложено на 146 страницах.
Похожие диссертации на Разработка алгоритмов управления движением автономных мобильных роботов
