Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в мировой практике одним из наиболее эффективных путей решения задач комплексной автоматизации и механизации производства является все более широкое применение промышленных роботов. Роботы - это технические системы, призванные заменить человека на многих вредных, монотонных и трудных участках технологического процесса. Проектирование и создание роботов различного назначения представляет собой сложную научно-техническую проблему.
С течением времени повышаются требования к системам управления роботов. Робот должен функционировать во все менее формализованной среде. Так, на ранних этапах создания систем управления роботов требовалось, чтобы рабочая зона робота была свободна от препятствий. Затем стали рассматриваться случаи, когда в рабочей зоне присутствуют препятствия, но предполагалось, что их количество, размещение, размеры и форма полностью известны системе управления. Были созданы алгоритмы, позволяющие управлять. роботом в такой среде, однако, поскольку для хранения информации о препятствиях требовались очень большие объемы машинной памяти, реализовывать такие алгоритмы на практике оказалось крайне затруднительно. Поэтому, начиная.приблизительно с начала 80-х годов стала рассматриваться более приближенная к. реальности задача управления роботами в среде с препятствиями, размещение крторых .системе управления заранее неизвестно, либо известно не полностью.
В литература,. по робототехнике рассматриваются следующие основные постановки задач планирования траекторий и управления роботами:
Планирование., траекторий и управление роботами в среде без препятствий. Предложены различные методы, гарантирующие нахождение траекторий в среде без препятствий, в ; том, числе с использованием сплайнов, графов, методов полиномиальной аппроксимации и др.
Можно указать, следующие основные методы управления манипулятором при исполнении спланированной траектории:
Управление с помощью оптимального регулятора
Методика "обратных задач"
Децентрализованное управление
Планирование,(Траекторий и управление роботами в среде с известными
ПреПЯТСТВИЯМИ. .-. .,!.!„--
Основным і методом при решении этой задачи является графовый подход. Имеются работы, гарантирующие нахождение траектории, если таковая существует. Даны способы математического описания препятствий в декартовом пространстве и в пространстве обобщенных координат.
Решается задача, планирования траекторий и управления роботами в среде с неизвестными препятствиями. Данная задача решена лишь частично - для мобильных роботов, а также для манипуляторов, имеющих не более трех степеней- подвижности. Предложены алгоритмы управления манипуляторами с произвольным числом степеней свободы, однако эти алгоритмы не гарантируют достижения цели.
Планирование, лграекторий и управление роботами в среде с движущимися препятствиями. Не предложено работ, гарантирующих достижение цели. Данная диссертация посвящена реализации алгоритмов управления манипуляционными роботами в условиях неполной информации о внешней среде. Предполагается, .'гго в,процессе функционирования роботу известна информация о внешней среде только.в,небольшой окрестности текущего и предшествующих положений.
Предполагается, что информация о внешней среде доставляется датчиками. В качестве датчиков могут использоваться телекамеры, лазерные и ультразвуковые дальномеры, тактильные датчики и фотодатчики. В диссертации не рассматриваются алгоритмы обработки информации от тех или иных типов датчиков. Данной теме посвящено достаточно много публикаций, в которых описаны экспериментальные системы, реализующие многие из алгоритмов обработки сенсорной информации, и предлагается программное обеспечение подобных систем. В настоящей работе предполагается, что обработка сенсорной информации уже проведена и выделены данные, необходимые для работы алгоритмов системы .управления робота.
На основе информации, полученной от датчиков, робот осуществляет движение по приведенным в диссертации алгоритмам. Обсуждается работоспособность этих алгоритмов.
. Цель настоящей диссертации состоит в следующем.
1. Разработка вопросов теории управления роботами в неизвестной среде.
2.Разработка численных алгоритмов управления манипуляторами в
неизвестной среде.
З.Создание программного обеспечения, моделирующего движение манипулятора в среде с неизвестными препятствиями на компьютере, а также создание программного обеспечения, управляющего реальным роботом в присутствии неизвестных препятствий.
Методы исследований. При создании алгоритмического и программного обеспечения использовались положения теории дифференциальных уравнений, линейной алгебры, моделирование на ЭВМ, экспериментальные исследования.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1.Предложена теория управления динамическими системами при неполной информации об ограничениях на состояния.
2. Разработано новое алгоритмическое обеспечение задач управления
манипуляторами в среде с неизвестными препятствиями на геометрическом и
динамическом уровнях, пригодное для управления манипуляторами с любым
числом степеней свободы в среде с произвольным количеством препятствий
произвольного расположения и формы.
Практическую ценность диссертационной работы составляют пакеты прикладных программ для моделирования и управления манипуляционными роботами в условиях неполной информации о внешней среде, результаты компьютерных и натурных экспериментов. Пакеты программ содержат программы, имитирующие окружающую среду, работу датчиков; программы, визуализирующие движение роботов среди препятствий; программы прокладки маршрута в неизвестной и частично известной окружающей среды; программы выхода из тупиков, образуемых препятствиями.
На защиту автором выносятся следующие основные положения:
1. Постановка и решение задач управления манипуляционными роботами
по накапливающейся локальной информации о заранее неизвестной внешней
среде.
2. Итеративные алгоритмы планирования траекторий и управления
манипуляционными роботами в условиях неполной информации о внешней среде.
г3. Результаты исследований разработанного программного обеспечения. Реализация полученных результатов. Разработанное при работе над диссертацией алгоритмическое и программное обеспечение используется в учебном процессе кафедры информатики и вычислительной техники и кафедры конструирования машин и электронного машиностроения при обучении студентов по курсу "Теория робототехнических систем" в Сибирской аэрокосмической академии. Основные результаты научно-технической работы включены в научно-
технические отчеты по научно-исследовательским работам по темам, выполнявшимся в Сибирской аэрокосмической академии и НИИ систем управления, волновых процессов и технологий по заказ-нарядам Министерства ОПО* РФ "Алгоритмическое и программное обеспечение интеллектуальных манипуляционных роботов в условиях неопределенности" и "Интеллектуальные системы управления манипуляционными роботами в неизвестных экстремальных средах".
Апробация работы и публикации. В полном объеме результаты работы обсуждались на межрегиональных конференциях "Проблемы информатизации региона", проходивших в Красноярске в 1994, 1995 и 1996 годах; на международной конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, ноябрь 1995); на IX международном симпозиуме по непараметрическим методам в кибернетике и информатике "Непараметрика'97" (Красноярск, октябрь 1997); на научных семинарах кафедры ИВТ САА и кафедры технологии машиностроения Тафтского университета (США).
По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, список которых приводится в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и текстов трех программных пакетов, содержащихся в отдельном Приложении. Общий объем работы - 121 страница и 230 страниц текстов программ, список литературы - 152 наименования.
