Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1 Анализ проблемы интеллектуального управления автономными мобильными системами в условиях неопределенности 10
1.1 Проблемы управления автономными мобильными системами в условиях неопределенности 10
1.2 Анализ существующих подходов к синтезу систем управления АМС 14
1.3 Цели и задачи исследования 26 Выводы 28
Глава 2 Разработка концепции интеллектуального управления автономными мобильными системами 29
2.1 Общие принципы решения задачи управления автономной мобильной системой 29
2.2 Динамические модели АМС различных типов 38
2.3 Функциональные схемы систем управления АМС 43 Выводы 49
Глава 3 Построение алгоритмов планирования траекторий движения АМС 51
3.1 Постановка задачи планирования траекторий движения АМС 51
3.2 Планирование движения одной АМС в рабочей области с неподвижными препятствиями 54
3.3 Планирование движения одной АМС в рабочей области с подвижными препятствиями 65
3.4 Планирование движения нескольких АМС в одном рабочем пространстве 75
Выводы 80
Глава 4 Синтез алгоритмов управления АМС 83
4.1 Стабилизация движения АМС относительно линейного участка плановой траектории 85
4.2 Стабилизация движения АМС относительно участка плановой траектории, представляющего собой дугу окружности 94
4.3 Алгоритмы интеллектуального управления движением АМС 99 Выводы 113
Глава 5 Разработка методики проектирования САУ АМС и оценка ее эффективности 116
5.1 Разработка программных средств имитационного моделирования системы управлениядвижением АМС 116
5.2 Анализ эффективности алгоритмов планирования траекторий движения АМС 119
5.3 Анализ эффективности алгоритмов управления движением АМС вдоль плановой траектории 126
5.4 Инженерная методика проектирования САУ АМС 152
5.5 Перспективы технической реализации систем управления автономными мобильными объектами 160 Выводы 162
Основные выводы и результаты 165
Литература 168
Приложение 1 - Динамические модели АМС различных типов 177
Приложение 2 - Оптимальные законы управления движением АМС 1
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время в различных областях техники и производства широкое распространение получают роботы и робототехнические системы, что связано с широким внедрением средств автоматики и вычислительной техники. Особую важность приобретает внедрение мобильных робототехнических систем. К ним относятся всевозможные автоматические транспортные средства широкого применения - наземного, воздушного, надводного, подводного, в том числе и транспортные средства промышленного назначения. Среди этих систем можно выделить также такие объекты, как автономные мобильные системы различных видов, в том числе и мобильные роботы. Автономные мобильные системы (АМС) создаются для выполнения разнообразных ответственных функций в автономном режиме, т.е. без участия человека.
Вот перечень областей человеческой деятельности, в которых предсказывается необходимость применения АМС:
- космос: экспедиции без участия людей;
- промышленность: инспекции, охрана, обслуживание, безопасность;
- перевозки: средства безопасности, электронный компаньон водителя;
- сельское хозяйство: защита окружающей среды, автоматизация полевых работ;
- строительство, добыча полезных ископаемых: безопасность, обслуживание, инспекционный контроль.
АМС могут функционировать в условиях, опасных для жизнедеятельности человека, в частности в космосе или под водой, в зоне радиоактивного или химического загрязнения, при инспекции взрывоопасных зон и предметов, при проведении спасательных работ в зонах разрушения и т.д. Кроме того, полученные результаты могут также найти применение при создании интеллектуальных домашних роботов.
В этой работе будут рассматриваться автономные мобильные системы, предназначенные для грузоперевозок на большие расстояния в условиях неполной информации о пространстве, в котором происходит движение АМС.
Подразумевается недостаток информации как о неподвижных препятствиях (стены, обрывы, ограждения) так и подвижных (люди, другие АМС и т.п.). Примерами такой обстановки может служить аэродромное обслуживание, патрулирование прибрежной морской территории аппаратами на воздушной подушке, доставка грузов к местам проведения геологических или аварийно-спасательных работ в безлюдных районах.
К решению проблем управления АМС в настоящее время привлечено внимание многих ученых и научных школ как в России, так и за рубежом. К их числу можно отнести вопросы планирования оптимальных траекторий движения АМС, стабилизации движения АМС относительно плановой траектории, оптимального маневрирования АМС в различных фазах движения (в том числе и при обходе препятствий), проблемы построения сенсорных систем АМС и систем обработки информации о состоянии внешней среды с целью формирования модели окружающей обстановки. Все задачи по обработке информации и принятию управляющих решений должны решаться бортовой аппаратурой АМС в реальном масштабе времени. В то же время, широко используемый к настоящему времени аппарат оптимального управления не пригоден для решения в реальном времени задач по управлению в условиях неопределенности и дефицита ресурсов сложными динамическими объектами, к которым могут быть отнесены все виды АМС. Это объясняется высокой размерностью уравнений, описывающих АМС как объект управления. Даже в простейших случаях АМС, оснащенная несложными системами управления приводами, описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений порядка не ниже седьмого. Аналитическое решение задач оптимального управления в этих условиях невозможно, а известные численные методы решения требуют непозволительно большого времени для получения приемлемого решения. Однако в настоящее время существуют подходы, которые позволяют управлять достаточно эффективно сложными динамическими объектами в условиях неопределенности в реальном времени. К ним относятся, например, системы принятия решений с элементами искусственного интеллекта, в частности, реализованные в виде нечетких регуляторов или нейронных сетей.
Анализ опубликованных работ в области управления автономными подвижными объектами таких отечественных и зарубежных авторов, как Тимофеев А.В., Коренев Г.В., Цыпкин ЯЗ., Крутько П.Д., Якубович В.А., Фуджимура К., Кхатиб О., Уоссермен Ф., Кант К., Зукер С, показал, что существует ряд нерешенных вопросов планирования траекторий движения АМС в рабочем пространстве с подвижными препятствиями, а также трудности синтеза систем управления движением АМС в условиях неопределенности возникающих препятствий. Это делает актуальной задачу разработки алгоритмов управления АМС, использующих современные достижения теорий управления и искусственного интеллекта, что позволит системе автономно функционировать в условиях действия случайных внешних возмущений и динамического изменения внутренних параметров АМС.
Цель работы и задачи исследования
Целью работы является повышение эффективности управления движением АМС в рабочем пространстве с препятствиями за счет применения адаптивных и интеллектуальных алгоритмов маневрирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. На основе построения кинематических и динамических моделей различных конструктивных схем АМС как объектов управления разработать обобщенную структуру системы управления АМС, позволяющую осуществлять целенаправленное движение АМС с возможностью обхода подвижных и неподвижных препятствий.
2. Разработать алгоритмы оперативного планирования траекторий движения АМС по рабочей информации о наличии подвижных и неподвижных препятствий.
3. Разработать адаптивные и нечеткие алгоритмы оперативного маневрирования движением АМС при появлении незапланированных препятствий. 4. Разработать программное обеспечение для комплексного моделирования и инженерную методику проектирования высокоэффективных систем управления АМС.
5. Провести анализ эффективности предложенных алгоритмов управления АМС с использованием системы комплексного моделирования.
Методы исследования
Для решения поставленных в работе задач были применены методы системного анализа, теории оптимального управления, динамического программирования, теории искусственного интеллекта.
Научная ценность результатов:
1. Предложенная структура системы управления движением АМС, в которой блок стабилизации вырабатывает управляющие воздействия на основе запланированной траектории движения, но без учета препятствий. Корректирующий блок вырабатывает управляющие воздействия с учетом информации о наличии незапланированных препятствий.
2. Разработанные алгоритмы планирования траектории движения АМС в ограниченном рабочем пространстве с неподвижными и подвижными препятствиями, а также нескольких АМС в общем рабочем пространстве, основаны на использовании метода динамического программирования Беллмана в сочетании с методом потенциальных функций.
3. Разработанные алгоритмы управления АМС используют комбинацию нечетких алгоритмов при больших отклонениях и алгоритмов стабилизации в окрестности конечной точки в блоках обхода препятствий и управления углом курса и скоростью.
Практическую ценность представляют: 1. Разработанная инженерная методика проектирования высокоэффективных систем управления АМС с нечеткими регуляторами, способных осуществлять планирование траектории движения и перемещение АМС вдоль плановой траектории в рабочем пространстве с известными и заранее неизвестными подвижными и неподвижными препятствиями. 2. Программное обеспечение для автоматизации исследований, реализующее предложенные модели и алгоритмы планирования и управления.
3. Результаты проведенного с его помощью сравнительного анализа эффективности алгоритмов планирования, алгоритмов оптимального управления движением, квазиоптимальных алгоритмов и алгоритмов на основе нечеткой логики.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:
• Всероссийская конференция молодых ученых «Математическое моделирование физико-механических процессов» (Пермь, 1997);
• Всероссийская научно-техническая конференция «Новые технологии управления робототехническими и автотранспортными объектами» (Ставрополь, 1997);
• 1 международная конференция «Новые технологии управления техническими объектами» (Ставрополь, 1997);
• Республиканская научно-техническая конференция «Интеллектуальное управление в сложных системах» (Уфа, 1999);
• Международная молодежная научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (Уфа, 1999);
• 2 международная научно-техническая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 1999);
• Первая международная конференция по мехатронике и робототехнике «МиР 2000» (Санкт-Петербург, 2000);
• Российская научно-техническая конференция «Механика и прочность авиационных конструкций» (Уфа, 2001);
• 8th International Conference on Neural Information Processing. Changhai, China, 2001. Публикации
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах.
Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту Старцеву Ю.В., к.т.н. Даринцеву О.В. за высококвалифицированные консультации в области проблем управления автономными мобильными системами.
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")
