Введение к работе
Актуальность темы, исследования. Предметом диссертационной работы являются задачи управления движением мобильных робототехнических систем в динамическом окружении, представленном различными движущимися объектами и неизмеряемыми внешними возмущениями. Геометрия и динамика внешних объектов могут оказывать влияние на траекторию движения мобильной робототехнической системы. Такого рода задачи можно отнести к классу задач траєкторного управления. Мобильные робототехнические системы имеют широкий спектр областей применения, таких как индустрия, складская логистика, автономная космическая техника, сельское хозяйство, проведение спасательных операций при чрезвычайных ситуациях и многих других. Возникновение гибких производственных систем создало одни из первых предпосылок к созданию мобильных робототехнических систем для решения таких задач, как транспортировка деталей в цехах. Следующий этап развития мобильных робототехнических систем был обусловлен расширением спектра решаемых задач, связанных с функционированием объекта управления во в существенной степени неопределенном рабочем пространстве. Кроме того, наличие внешних препятствий приводит к повышению сложности конструкции и усложнению систем управления движением мобильных робототехнических систем.
Степень разработанности темы. Можно выделить две группы методов, применяемых при решении задачи управления движением мобильной робототехнической системы вдоль предписанной траектории: программный и траекторный. Программные методы предпоагают синтез задающего устройства, которое должно генерировать параметризованную временем траекторию, а также разработку следящей системы, обеспечивающей точную отработку задающего сигнала. Основными недостатками такого подхода являются необходимость в синтезе задающего устройства и потребность в перерасчете эталонной траектории при возникновении изменений в движении объекта управления. Метод траєкторного управления предполагает синтез законов управления на основе текущих значений отклонений положения объекта управления от предписанной траектории, что дает возможность не пользоваться генераторами эталонных сигналов. При такой постановке задача синтеза алгоритмов управления движением сводится к решению задачи частичной стабилизации объекта управления.
Практически во всех реальных применениях мобильные робототехнические системы вынуждены функционировать в нестационарной среде при
наличии препятствий и других подвижных объектов. При решении задачи управления движением мобильной робототехнической системы в динамическом окружении целью является обеспечение устойчивого движения по заданной траектории, избегая столкновений с препятствиями. Другим вариантом задачи управления в таком случае может быть согласованное с другим подвижным объектом движение. Из этого следует, что форма предписанной траектории (или ее отдельных участков) задается, учитывая положение и геометрические габариты подвижных объектов, присутствующих в среде функционирования, т.е. являются нестационарными.
Среди научных публикаций, посвященных решению задач управления движением мобильных робототехнических систем вдоль предписанной траектории в условиях наличия разнообразных препятствий и возмущений, значительная часть посвящена развитию подходов, основанные на принципах программного управления. Полученные решения требуют существенных вычислительных мощностей и высокого быстродействия алгоритмов планирования траекторий и не позволяют эффективно использовать текущую информацию о состоянии объектов ближнего окружения объекта управления. Результаты изучения круга задач управления движением мобильных робототехнических систем вдоль заданной траеткории в присутствии подвижных объектов в рабочем пространстве, рассмотренные в работе С. Ф. Бурдакова, И. В. Мирошника и Р. Э. Стельмакова, показали перспективность методов синтеза алгоритмов траєкторного управления, в которых алгоритмы траєкторного управления синтезируются, используя информации о движении мобильной робототехнической системы в базисе внешнего подвижного объекта. Настоящая диссертационная работа, в отличие от ряда недавних работ, посвященных данной тематике, посвящена развитию методов и алгоритмов траєкторного управления движением мобильных робототехнических систем различной сложности и кинематической структуры на основе достоверных математических моделей в присутствии неизмеряемых постоянных возмущающих воздействий при наличии в среде функционирования подвижных объектов, при этом желаемая траектория движения задается с учетом динамики движения и габаритов подвижного объекта и описывается в относительных координатах.
Цель диссертационной работы. Целью данной диссертации является разработка алгоритмов траєкторного управления движением мобильных робототехнических систем в динамически меняющейся среде функционирования, что включает в себя анализ достоверных математических моделей колесных мобильных роботов и исследование ограничений, порождаемых
особенностями их конструкции, разработку методики синтеза алгоритмов траєкторного управления движением мобильных робототехнических систем на основе метода стабилизации геометрических многообразий в пространстве выходных переменных объекта управления в условиях наличия неизмеряемых постоянных возмущающих воздействий и подвижных объектов в оперативном пространстве, синтез алгоритмов стабилизации пространственной ориентации мобильной робототехнической системы на основе метода стабилизации целевых многообразий, а также синтез системы траєкторного управления в динамическом окружении на основе полученных алгоритмов на базе мобильного робота «Robotino».
В процессе достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Проанализированы достоверные обобщенные математические модели колесных мобильных роботов и изучены их математические и структурные свойства.
-
Разработаны алгоритмы траєкторного управления движением колесных роботов с полной и ограниченной мобильностью в условиях наличия внешних неизмеряемых постоянных возмущений и подвижных препятствий.
-
Разработаны алгоритмы стабилизации пространственной ориентации мобильных робототехнических систем без измерения вектора угловых скоростей.
-
Разработана система траєкторного управления движением колесной мобильной платформы «Robotino» в динамическом окружении. Поставлен ряд экспериментов на реальной мобильной робототехнической
системе.
Методы исследования. В настоящей диссертации применяются алгоритмы синтеза законов траєкторного управления, основанные на методах теории нелинейных систем, методе функций Ляпунова и дифференциально-геометрическом подходе. В рамках предлагаемого подхода осуществляется нелинейное преобразование оригинальной математической модели мобильной робототехнической системы к задачно-ориентированному базису, в котором его динамика принимает вид взаимосвязанных моделей ортогональных отклонений и касательной скорости движения. Задача синтеза
регулятора, таким образом, сводится к устремлению к нулю соответствующих ортогональных отклонений и решается методами нелинейной стабилизации. Для достижения экспериментаьных результатов использовалось современное программное обеспечение - программные пакеты Matlab и Simulink, система автоматизированых вычислений Mathcad, среда для программирования роботов ROS (Robot Operating System); технической базой экспериментов стала колесная мобильная платформа «Robotino» в комплекте с локальной системой навигации «NorthStar», предоставленные лабораториями кафедры Систем Управления и Информатики факультета Компьютерных Технологий и Управления Университета ИТМО.
Научная новизна. На основании проведенных исследований была предложена методика синтеза законов траєкторного управления движением для достоверных моделей колесных мобильных роботов при наличии неизмеря-емых постоянных внешних возмущений и подвижных препятствий в рабочем пространстве мобильного робота. Разработанные алгоритмы не требуют измерения вектора линейных скоростей. Также были получены законы управления для решения задачи стабилизации пространственной ориентации мобильного робота, не требующие измерения вектора угловых скоростей.
Теоретическая и практическая значимость предложенных методов управления мобильными робототехническими системами обусловлена широким распространиением мобильных робототехнических систем, что приводит к необходимости разработки надежных алгоритмов синтеза траєкторного управления в динамическом окружении. Полученные результаты могут быть использованы при разработке алгоритмов траєкторного управления движением автономных складских транспортных платформ, патрулирующих мобольных роботов и других мобильных робототехнических систем, которые в процессе работы решают в том числе задачи следования предписанным траекториям.
Положения, выносимые на защиту:
-
Алгоритмы траєкторного управления движением колесных мобильных роботов без измерения вектора скоростей при наличии постоянных возмущений и подвижных препятствий.
-
Алгоритмы стабилизации пространственной ориентации без измерения угловых скоростей.
-
Процедура синтеза системы траєкторного управления мобильным ро-
ботом в динамическом окружении на основе методов стабилизации многообразий в пространстве выходов объекта управления.
Степень достоверности результатов диссертационного исследования подтверждается строгими доказательствами утверждений, корректностью использования математического аппарата, результатами численного моделирования и экспериментальной апробации разработанных алгоритмов на основе мобильного робота «Robotino», печатными научными работами, а также публикациями в сборниках трудов международных научных конференций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования были изложены на 2 международных и 4 всероссийских конференциях:
XLV научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, 2016
XVIII конференция молодых ученых «Навигация и управление движением», 2016
21th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, 2016 (21-я Международная конференция по методам и моделям в автоматике и робототехнике) [6]
XIX конференция молодых ученых «Навигация и управление движением», 2017
VII Всероссийский конгресс молодых ученых. Университет ИТМО, 2018
The 1st IEEE International Conference on Industrial Cyber-Physical Systems, 2018 (1-ая Международная конференция по индустриальным кибер-физическим системам) [7, 8]
Работа над диссертацией выполнялась на кафедре Систем управления и информатики факультета Компьютерных технологий и Управления Университета ИТМО, поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации (проект 14.Z50.31.0031, «Робастные и адаптивные системы управления, коммуникации и вычисления») и при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01 «Нелинейное и адаптивное управление сложными системами», Госзадание 2014/190 проект 2118 «Развитие методов адаптивного и робастного управления сложными нелинейными системами с применением к мехатронным и робототехническим приложениям»).
Личный вклад. Автором были проведены теоретические исследования задач траєкторного управения и стабилизации пространственной ориентации для мобильных робототехнических систем в динамически изменяющейся среде функционирования. Кроме того, автором реализована реаль-
ная система траєкторного управления движением мобильной робототех-нической системой «Robotino» и осуществлена серия экспериментальных апробаций предложенных алгоритмов траєкторного управления.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования были опубликованы в 8 работах, включая 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК [1, 2, 3, 4, 5] и 3 статьи в сборниках трудов конференций, индексируемых в системе цитирования Scopus [6, 7, 8].
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 108 страниц, включая 28 рисунков и 2 таблицы. Библиография включает 77 наименований.