Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ процесса проведения диагностики газопроводов мобильными роботами 14
1.1 Характеристика газотранспортной системы и причины ее аварийности 14
1.2 Анализ и классификация прецедентов 23
1.3 Анализ конструкций и методов управления мобильными роботами для диагностики трубопроводов
1.3.1 Классификация роботов для внутритрубной диагностики 27
1.3.2 Анализ функциональных возможностей роботов с многоопорным кинематическим механизмом и методов управления ими 1.4 Постановка задачи исследования 53
1.5 Выводы и результаты по первой главе 55
ГЛАВА 2. Разработка математической модели процесса перемещения колесного робота в газопроводе 57
2.1 Структура математической модели процесса перемещения колесного робота в газопроводе 57
2.2 Аналитическая модель подсистемы регуляторного уровня
2.2.1 Математическое описание модели 58
2.2.2 Реализация аналитической модели подсистемы регуляторного уровня в MATLAB 63
2.3 Продукционная модель подсистемы ситуационного уровня 66
2.3.1 Описание продукционной модели 66
2.3.2 Формализация параметров модели подсистемы ситуационного уровня 75
2.3.3 Механизмы функционирования основных блоков 86
2.3.4. Реализация модели подсистемы ситуационного уровня в MATLAB,
проверка адекватности модели 90
2.4 Выводы и результаты по второй главе 92
ГЛАВА 3. Разработка системы управления мобильным диагностическим роботом 94
3.1 Описание процесса управления инспекционным роботом 94
3.2 Ограничения, накладываемые в подсистемах мобильного робота 97
3.3 Методика управления мобильным диагностическим роботом
3.3.1. Описание методики управления 100
3.3.2. Алгоритм определения наличия прецедента 103
3.3.3. Алгоритмы определения типов прецедентов 105
3.3.4. Алгоритм управления подсистемой регуляторного уровня
3.4 Общая схема системы управления мобильным роботом 113
3.5 Выводы и результаты по третьей главе 114
ГЛАВА 4. Исследование режимов работы диагностического робота . 116
4.1 Примеры работы системы управления мобильного робота 116
4.1.1 Примеры работы мобильного робота в каждом из режимов 116
4.2.1 Пример работы мобильного робота при переходе из режима в режим 4.2 Интерфейс оператора 129
4.3 Оценка повышения эффективности процесса проведения внутритрубной диагностики газопроводов 131
4.4 Выводы и результаты по четвертой главе 133
Заключение 134
Список литературы 136
- Анализ конструкций и методов управления мобильными роботами для диагностики трубопроводов
- Математическое описание модели
- Ограничения, накладываемые в подсистемах мобильного робота
- Примеры работы мобильного робота в каждом из режимов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Газотранспортная система (ГТС) представляет собой совокупность взаимосвязанных газопроводов, является связующим звеном между местами добычи газа и его конечными потребителями. Повышение наджности ГТС является важнейшей задачей, поскольку с увеличением сроков эксплуатации и старением системы, включающей магистральные, региональные газопроводы, трубопроводы-отводы и газопроводы, находящиеся на территории промышленных объектов, возрастает вероятность их отказов в связи с разрушением рабочей поверхности труб. Внутритрубная диагностика трубопроводов – важный технологический процесс обслуживания, от качества и частоты выполнения которого зависит безопасная и надежная эксплуатация газопроводных систем. Учитывая большую протяженность газораспределительных сетей и их сложную конфигурацию, в ряде случаев эффективным средством проведения диагностики газопроводов является использование дефектоскопов, перемещаемых с помощью мобильных роботов.
Применение роботов для инспекции трубопроводов – одно из самых перспективных решений, позволяющих заблаговременно предупреждать техногенные и экологические катастрофы и аварии. Основным преимуществом роботов является возможность диагностики трубопроводов без вскрытия, что существенно облегчает работу технических специалистов. Задача мобильных роботов – транспортировка диагностического оборудования в трубопроводах сложной конфигурации, что должно обеспечиваться эффективной системой управления роботом, при этом анализ собираемой роботом информации о дефектах может производиться оператором как во время движения робота, так и после завершения инспекционного маршрута.
Таким образом, совершенствование методов управления мобильными роботами для проведения внутритрубной диагностики является актуальной научной и практической задачей, и ее решение не только повысит эффективность проведения внутритрубной инспекции газопроводов, но и обеспечит их безопасную эксплуатацию. Данная задача крайне важна, учитывая обозначенный в Генеральной схеме развития газовой отрасли России на период до 2030 года плановый рост объемов проведения внутритрубной диагностики газопроводов. Перспективность и актуальность использования роботов в данном процессе доказывается тем, что робототехника является одним из приоритетных направлений исследований и разработок в области информационных технологий в соответствии со Стратегией развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014-2020 годы и на перспективу до 2025 года.
Степень разработанности темы. Вопросы управления мобильными роботами для диагностики трубопроводов представлены в трудах российских и иностранных ученых: Градецкого В.Г., Чащухина В.Г., Болотника Н.Н., Костина Г.В., Чер-ноусько Ф.Л., Егорова И.Н., Иванова А.А., Глазкина Н.Е., Кадхима Д., Roh S.G., Ryew S.M., Choi H.R., Zhang Y., Yan G., Moghaddam M., Hadi A., Mhramatsu M., Namiki N., Roman H.T., Pellegrino B.A., Sharma G., Harish P., Venkateswarlu V., Fearing R.S., Sahai R., Hoover A. , Aoki T., Hirose S., Fjerdingen S.A., Hayashi I., Iwatuki N., Nishikawa H., Sasaya T., Anhierens C., Citci A., Betemps M., Iwashina S.
Значительный вклад в разработку методов интеллектуального управления внесли Д.А. Поспелов, А.С. Ющенко, А.Н. Мелихов, А.В. Леоненков, С.Ф. Бурда-
ков, И.В. Мирошник, Ю.М. Соломенцев, Е.И. Юревич, В.В. Борисов, И.М. Макаров, В.И. Гостев, Р.Э. Стельмаков, А.Н. Борисов, С.Л. Зенкевич и др.
Объект исследования – система управления колесным роботом для внутри-трубной диагностики газопроводов.
Предмет исследования – модели, алгоритмы и методики управления колесным роботом для внутритрубной диагностики газопроводов.
Цель работы – повышение эффективности проведения внутритрубной диагностики газопроводов при использовании мобильных роботов путем разработки системы управления колесным роботом, способным производить перемещение в трубопроводах различной конфигурации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить и классифицировать типичные ситуации (прецеденты), встре
чающиеся в газопроводе.
-
Разработать математическую модель процесса перемещения колесного робота в газопроводе.
-
Разработать методику управления колесным роботом для внутритрубной диагностики газопроводов.
-
Разработать алгоритмическое обеспечение системы управления роботом.
5. Провести исследование эффективности процесса внутритрубной диагно
стики газопроводов при использовании разработанной системы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель процесса перемещения колесного ро
бота в газопроводе, обеспечивающая вычисление осевой силы робота и скоростей
трех колесных модулей, отличающаяся разделением на аналитическую и продук
ционную модели подсистем регуляторного и ситуационного уровней.
-
Разработана методика управления колесным роботом, обеспечивающая преодоление им встречающихся прецедентов в заранее неизвестных условиях, отличающаяся использованием алгоритмов по определению типов прецедентов и правил выбора алгоритмов по формированию управляющих решений в зависимости от текущей ситуации.
-
Синтезирован алгоритм управления подсистемой регуляторного уровня мобильного робота, позволяющий управлять силой прижатия колесных модулей к стенкам газопровода, отличающийся возможностью переключения режимов функционирования в зависимости от типов прецедентов и обеспечением максимального контакта всех колес робота с внутренней поверхностью трубопровода при преодолении переходов между участками труб разных диаметров.
Теоретическая значимость работы. Разработаны теоретические положения по усовершенствованию методов управления мобильными диагностическими роботами в части регулировки радиуса робота в случае изменения внутреннего радиуса газопровода и регулировки силы прижатия колесных модулей к стенкам газопровода в случае изменения наклона трубы, а также в части управления скоростями колесных модулей робота с целью преодоления им поворотов и тройников, встречающихся в газопроводе.
Практическая значимость работы. Сформирована структура системы управления колесным роботом, разработаны программные модули, зарегистрированные в
Федеральной службе по интеллектуальной собственности. Разработаны алгоритмы по управлению подсистемами регуляторного и ситуационного уровней.
Рекомендации, содержащиеся в диссертационном исследовании, приняты к внедрению и использованы при проектировке и разработке колесных роботизированных комплексов ООО «АГТУ РОБОТИКС». Разработанные модели и алгоритмы приняты к внедрению для использования в учебных целях в ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» и ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.».
Практическая ценность исследования высоко оценивается специалистами газовой отрасли, что подтверждается призовыми местами на научно-технических конференциях, проводимых в системе ПАО «Газпром»: I место на IV открытой научно-технической конференции молодых специалистов и работников «Энергия мо-лоджи – ресурс развития нефтегазовой отрасли» (2011), II место на VI открытой научно-технической конференции молодых специалистов и работников «Молодежь + Наука = Развитие нефтегазовой отрасли» (2015).
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы математического моделирования, имитационного моделирования, теории автоматического управления, математический аппарат нечетких множеств.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель процесса перемещения колесного робота в
газопроводе.
-
Методика управления колесным диагностическим роботом.
-
Алгоритм управления силой прижатия колесных модулей к стенкам газопровода на основании типов прецедентов, встречающихся роботом в газопроводе.
Степень достоверности включенных в исследование научных положений, практических рекомендаций и теоретических выводов обусловлена корректным применением указанных методов исследования, вычислительными экспериментами и практическим применением результатов диссертационной работы, что отражено в актах внедрения.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на следующих международных и всероссийских конференциях: VI открытой научно-технической конференции молодых специалистов и работников «Молодежь + Наука = Развитие нефтегазовой отрасли» (г. Астрахань, ООО «Газпром добыча Астрахань», 2015); XVII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы развития газовой промышленности Сибири» (г. Тюмень, ООО «ТюменНИИгипрогаз», 2012); V открытой научно-технической конференции молодых специалистов и работников «Инновации молодежи – потенциал развития нефтегазовой отрасли» (г. Астрахань, ООО «Газпром добыча Астрахань», 2013); XXII, XXIII, XXVI, XXVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ» (г. Псков, 2009; г. Саратов, 2010; г. Саратов, 2013; г. Рязань, 2015); XVII, XVIII и XIX Международных студенческих конференциях-школах-семинарах «Новые информационные технологии» (Украина, г. Судак, 2009–2011); IV открытой научно-технической конференции молодых специалистов и работников «Энергия молод-жи – ресурс развития нефтегазовой отрасли» (г. Астрахань, ООО «Газпром добыча
Астрахань», 2011); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного машиностроения» (г. Югра, 2015); IV, V и VI всероссийской научно-практической конференции «Наука, образование, инновации: пути развития» (г. Петропавловск-Камчатский, 2013-2015), II International scientific-practical conference «Innovative information technologies» (Чехия, г. Прага, 2013).
Исследования поддержаны Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «СТАРТ» (2009).
Публикации. Основные положения изложены в 17 печатных работах, в том числе 6 статей в научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ. Получено два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, четыре главы, заключение, список использованной литературы из 105 наименований, приложения. Содержание работы изложено на 157 страницах, включает 84 рисунка и 38 таблиц.
Анализ конструкций и методов управления мобильными роботами для диагностики трубопроводов
Газотранспортная система (ГТС) представляет собой совокупность взаимосвязанных газопроводов, предназначенных для обеспечения газом потребителей, является связующим звеном между местами добычи газа и его конечными потребителями.
ГТС составляет основу Единой системы газоснабжения России. Единая система газоснабжения — производственно-технологический комплекс, который состоит из объектов транспорта, переработки, добычи и подземного хранения газа. Оптимизация параметров систем газопроводов, сооружаемых с 1990 года, производится на уровне технологической взаимосвязи всех газопроводов одного коридора. Совместный режим работы компрессорных цехов позволяет рационально использовать компрессорную мощность, на ряде компрессорных станций за счет этого становится возможным сократить число установленных рабочих газоперекачивающих агрегатов [70].
Российская газотранспортная система является крупнейшей в мире. Средняя дальность транспортировки газа сегодня составляет около 2,6 тыс. км при поставках для внутреннего потребления и примерно 3,3 тыс. км при поставках на экспорт. На сегодняшний день протяженность магистральных газопроводов на территории России составляет 168,3 тыс. км. Протяженность газопроводов, обслуживаемых дочерними и зависимыми предприятиями ПАО «Газпром», составляет почти 690 тыс. км, или 80% от общей длины газораспределительных сетей в России. Таким образом, длина всех газораспределительных сетей в России составляет около 765 тыс. км [78].
ГТС проектировалась и строилась с расчетом возможности последующей эксплуатации без замены и ремонта в течение нескольких десятков лет. Но при этом, обслуживающим предприятиям требуется проводить плановые работы на газопроводах и ежегодно выделять средства на ремонт и реконструкцию ГТС. Эти средства идут на регулярную диагностику состояния газопроводов: определяются участки, которые подверглись коррозии, а также участки труб, которые нужно заменить.
В состав газотранспортной системы входят: распределительные газопроводы, магистральные газопроводы, отводы, газопроводы-перемычки, подводы. Значительная удаленность районов потребления природного газа от районов его добычи, а зачастую и переработки, вызывает необходимость создания крупных газотранспортных систем.
Для транспортировки газа проектируются и разрабатываются
газопроводные магистральные системы, длина которых сейчас – сотни и тысячи километров. Важное значение приобретает оптимальный выбор давления газа и диаметров труб. Правильное значение диаметра магистрального газопровода рассчитывается в соответствии с технико-экономическим обоснованием.
В зависимости от способа прокладки и диаметра магистральные трубопроводы делятся на такие виды: переходы через железнодорожные пути и водные и суходольные преграды; трубопроводы внутри сооружений и зданий; переходы через болота и автомобильные дороги; трубопроводы диаметром сечения менее 1200 мм; трубопроводы диаметром сечения более 1200 мм (рисунок 1.1) [79].
Анализ локальной интенсивности аварий производится для определения необходимости технической экспертизы газопровода. Для анализа значений локальной интенсивности аварий требуются данные об отказах и инцидентах на участке газопровода, данные об условиях строительства, экспертные оценки конструктивно-технологических особенностей эксплуатации, сведения о текущем техническом состоянии участка трубы.
Интенсивность аварий измеряют числом аварий на участке трубопровода протяженностью 1000 км за один год его эксплуатации. Многие газопроводы являются труднодоступными, поскольку проложены в регионах с холодным суровым климатом. Для обследования их технического состояния внедрены специальные методы, один из которых – метод внутритрубной дефектоскопии с использованием специальных диагностических устройств – внутритрубных снарядов-дефектоскопов. Рисунок 1.1 – Участок газопровода
Газ из магистральных газопроводов поступает в городские и промышленные системы через газораспределительные станции, которые сооружаются в конце магистрального газопровода или на отводе от него и характеризуются большими пропускными способностями (до 200000 м3/час и более) [77].
Газораспределительные станции сооружаются на газопроводах-отводах и предназначены для подачи населенным пунктам и промышленным предприятиям необходимого объема газа с определенным давлением, степенью очистки, одоризации и измерения объемного расхода газа, а при необходимости, контроля качественных его показателей.
Газораспределительные станции предназначены для снабжения газом от магистральных и промысловых газопроводов следующих потребителей: объектов газонефтяных месторождений (на собственные нужды); объектов газокомпрессорных станций (на собственные нужды); объектов малых и средних населённых пунктов; электростанций; промышленных, коммунально-бытовых предприятий и населённых пунктов крупных городов.
В зависимости от местоположения относительно планировки населенных пунктов газопроводы разделяют на уличные, внутриквартальные, дворовые, межцеховые [79]. По расположению относительно поверхности земли газопроводы подразделяются на подземные (подводные), надземные (рисунок 1.2) и наземные.
По назначению в системе газоснабжения газопроводы делятся на распределительные, газопроводы-вводы, вводные, продувочные, сбросные, импульсные, а также межпоселковые. В зависимости от материала труб газопроводы бывают металлические (стальные, медные и др.) и неметаллические (полиэтиленовые и др.). В зависимости от объема, структуры, надежности газоснабжения и плотности газопотребления, местных условий, а также на основании технико экономических расчетов производится выбор систем распределения, принцип построения распределительных газопроводов (кольцевые, тупиковые, смешанные) и число газорегуляторных пунктов.
Математическое описание модели
На рисунке 1.24 показана фаза движения робота в повороте. Секция С-А обозначает диапазон, где центр робота перемещается между прямым трубопроводом и поворотом, в то время как секция А-В - диапазон, где робот полностью находится в повороте. Дуга R представляет траекторию движения центра робота, и дуга Р представляет собой часть окружности В - прохождение центра торуса, как было изображено на рисунке 1.24. Кривая R не совпадает с Дугой Р, потому что колеса робота с продольной конструкцией имеют трехмерный контакт с внутренней поверхностью трубопровода. Разница между Дугами РиД, обозначенная Ad, изменяется в зависимости от положения робота, когда робот перемещается от прямой трубы до поворота. Это означает, что соединительные звенья с колесами размещаются по-разному вокруг центральной оси робота, когда он входит в поворот.
Необходимо отметить, что изгиб поворота изменяется в зависимости от внутренних областей трубопроводов, имеющих контакт с колесами робота. Колеса одного или двух колесных модулей из трех вынуждены остановить, в то время как скорости всех остальных колес останутся такими же. Это происходит, потому что траектория движения каждого колеса различна. Такое следствие вызывает перегрузку в системе приводов, и имеет весьма негативное влияние на использование робота газопроводах, состоящих из большого количества отводов.
Ранее для решения этой проблемы использовали метод, в котором предлагается все колеса сделать без движущих приводов [32]. Однако при использовании этого метода не будет хватать тяговой силы для перевозки оборудования в сильнонаклонных и вертикальных отводах, потому что сила тяги произведена только одним колесом. Поэтому, каждым ведущим модулем робота необходимо активно управлять, например, регулировать скорости колес в зависимости конфигурации трубопроводов.
Управление движением робота в повороте является сложной задачей, потому что у робота есть определенный размер и форма. На рисунке 1.25 показано геометрическое представление робота в повороте. Чтобы точно рассчитать скорости колес робота в поворотах, траектории колес должны быть вычислены с использованием геометрического расчета, основанного на фактическом поведении робота в повороте. Вычисление требует решения уравнений с двумя следующими условиями. Первое условие состоит в том, что кривая пересечения отдельной плоскости, включающей точки контакта колес со стенками трубопровода, и самого поворота, существует. Второе – многоугольник, вершинами которого являются точки колес на кривой, представляет собой равносторонний треугольник из-за кинематического ограничения ведущих модулей, независимо от положения робота.
Кривая, обозначенная Wreal, о которой сказано в первом условии для управления скоростью, не является ни кругом, ни эллипсом. Кроме того, из-за конечного диаметра плоскость , включающая Кривую Wreal, не параллельна плоскости yz, перпендикулярной центральной оси робота и центрам колес, которые не находятся в плоскости .
Из-за толщины колес плоскость не перпендикулярна плоскости ху и Prea/Qrea/Rrea/, которые являются точками на внутренней стенке поворота, имеющего контакт с колесами робота, и не лежат на плоскости, перпендикулярной осям колес и включающей центры колес. Плоскость а, нормальный вектор h которой с произвольными параметрами ух, уу и yz нельзя однозначно определить. Поэтому, Кривая Wreai на плоскости а не симметрична относительно любых точек или линий. Следовательно, Кривая Wreal не может быть легко вычислена, поскольку колесо имеет форму цилиндра с диаметром и толщиной.
Так как получить уравнения траекторий сложно, то возможно упростить их до легко обрабатываемых форм. Каркас и структура робота могут быть представлены как линии. Места соединений и колеса могут быть рассмотрены как точки, это показано на рисунке 1.26. Предположим, что P, Q и R - точки колес, имеющие контакт с поворотом и находятся на кривой W, которая является кривой из первого условия для управления скоростью. В связи с упрощением робота, плоскость, включающая P, Q и R, параллельна плоскости, перпендикулярной центральной оси робота, независимо от величины у/, у/ - угол между двумя плоскостями, где одна плоскость включает точку T на Кривой W (пересечение с осью JC) и центральную ось робота, и другой плоскостью, включающей точку P и
Ограничения, накладываемые в подсистемах мобильного робота
На основании рассмотренных входных, промежуточных и выходных параметров системы ситуационного уровня можно обозначить следующие признаки системы: PrecS - «Тип прецедента»; Napr - «Целеуказание»; fр - «Угол поворота (поворот)»; ft - «Угол первого поворота в тройнике»; /32 - «Угол второго поворота в тройнике»; у - «Угол ориентации колесных модулей»; Rp - «Радиус поворота газопровода»; /3 - «Результирующий угол поворота»; а1 - «Удаленность от поворота 1-го колесного модуля»; а2 - «Удаленность от поворота 2-го колесного модуля»; а3 - «Удаленность от поворота 3-го колесного модуля»; V1 -«Скорость 1-го колесного модуля»; V2 - «Скорость 2-го колесного модуля»; V3 -«Скорость 3-го колесного модуля».
Описание нечеткой ситуации приводится в следующем виде: s = { "1(У1) / «Тип прецедента» , /л2(у2) / «Целеуказание» , //3(у3) / «Угол поворота (поворот)» , ju4(y4) / «Угол первого поворота в тройнике» , ju5(y5) / «Угол второго поворота в тройнике» , ju6(y6) / «Угол ориентации колесных модулей» , ju7(y7) / «Радиус поворота газопровода» , м8(у8) / «Результирующий угол поворота» , ju9(y9) / «Удаленность от поворота 1-го колесного модуля» , «10(У10) / «Удаленность от поворота 2-го колесного модуля» , м11(у11) / «Удаленность от поворота 3-го колесного модуля» , ju12(y12) / «Скорость 1-го колесного модуля» , //13(у13) / «Скорость 2-го колесного модуля» , ju14(y14) / «Скорость 3-го колесного модуля» } [55, 88].
На основании схемы взаимозависимости входных, промежуточных и выходных параметров подсистемы ситуационного уровня, разработан алгоритм вычисления скоростей колесных модулей робота (рисунок 2.13), позволяющий определять значения выходных признаков системы - скоростей трех колесных модулей диагностического робота.
Необходимо учесть факты, что одни параметры (признаки) представлены в измеряемой числовой форме, а другие в вербальной форме, и то, что связь между некоторыми признаками производится в явном виде, без нечеткой логики (например, вычисление значений параметров «удаленность от поворота колесных модулей»), а в некоторых - с использованием аппарата нечетких множеств и продукционных правил (в блоках расчета скоростей колесных модулей диагностического робота и угла поворота в тройнике).
Из этого следует, что управляющие решения (значения выходных переменных модели ситуационного уровня) должны определяться не по заранее составленной нечеткой ситуационной сети, а по специально разработанному для мобильного внутритрубного робота алгоритму. Применение нечеткой логики в математической модели подсистемы ситуационного уровня обусловлено тем, что нечеткие множества позволяют принять и формализовать опыт оператора по дистанционному управлению роботом, тем самым избежать трудоемкие математические вычисления. Нечеткая логика при оценке сложившихся ситуаций и построении логических заключений при управлении сложными объектами может облегчить решение задач хранения, обработки и накопления качественной информации [33, 38–39, 68, 76].
Выбор способа построения модели ситуационного уровня диагностического робота на основе нечеткой логики, справедлив, поскольку многообразие меняющихся условий среды функционирования мобильного робота сложно описать ограниченным количеством правил, предназначенных для выполнения соответствующих команд, в связи с их большим числом. Таким образом, использование слабо детализированных, нечетких правил и определенных способов формирования управляющих решений имеет преимущество в существенном сокращении количества необходимых правил.
Путем проведения процедур экспертного опроса определяется система нечетких продукционных правил, которые используются при управлении мобильным диагностическим роботом. Данные правила связывают ситуацию, определяемую с помощью сенсорной подсистемы робота, и управление, соответствующее рассматриваемой ситуации [81, 105]. Начало
Далее необходимо рассмотреть формализацию входных, промежуточных и выходных параметров, а также механизмы работы основных блоков, приведенных в алгоритме: блок расчета параметров «удаленность от поворота колесных модулей», блок расчета скоростей колесных модулей, блок расчета угла поворота в тройнике [91]. 2.3.2 Формализация параметров модели подсистемы ситуационного уровня
Состояние объекта управления можно оценивать по значениям признаков (параметров), представляющих собой как набор внутренних характеристик самого диагностического робота, так и характеристик трубопровода.
Формализация качественной информации производится на основании методов экспертного опроса. Функция принадлежности задается для различных значений лингвистических переменных в виде линии, которая отражает уверенность конкретного эксперта в принадлежности значения лингвистической переменной конкретному значению отрезка шкалы. Полученная таким образом кривая аппроксимируется экспоненциальной зависимостью, а параметр Ъ (выбирается после обработки всех кривых предложенных экспертами) позволяет перемещать функцию принадлежности относительно начала базового множества, этим обосновывается необходимость применения Гауссовой функции. В случае сильного отличия кривой одного эксперта от кривых, которые получены другими экспертами, данная кривая исключается. Если таких кривых несколько, то путем совместного обсуждения экспертами предлагается единственный вариант функции принадлежности для данного значения лингвистической переменной, который будет учитывать обобщенный опыт экспертной группы. Параметр с одинаков для всех функций принадлежности и подбирается таким образом, чтобы на каждом отрезке базового множества было не более двух отличных от нуля значений функций принадлежности. В данном и последующих исследованиях участвовала экспертная группа из десяти человек, в которую входили специалисты группы неразрушающих методов контроля и ремонтно-механического цеха газоперерабатывающего предприятия и сотрудники компании, занимающейся разработкой роботизированных устройств. Используя подход, описанный выше, определяются функции принадлежности (таблица 2.1).
На рисунке 2.14 представлен график функций принадлежности признака «Радиус поворота». Данный график, как и последующие, построен с использованием программного пакета MATLAB Fuzzy Logic Toolbox и следующих средств: редактор систем нечеткого вывода FIS, редактор функций принадлежности Membership Function Editor.
Примеры работы мобильного робота в каждом из режимов
газопровода, 2 – изменение радиуса и наклона Разработаем алгоритм, в соответствии с которым должно производиться управление системой регуляторного уровня на основе рассмотренной математической модели ММ1. Ключевым параметром системы управления является тип текущего прецедента, встречающегося роботу при движении в газопроводе. На основании типа прецедента производится выбор режимов работы системы управления, а также устанавливается взаимосвязь блоков математической модели регуляторного уровня. Параметр PrecR – тип прецедента подсистемы регуляторного уровня. Для рассматриваемой подсистемы данный параметр имеет четыре возможных значения: 1 – изменение радиуса газопровода, 3 – изменение наклона газопровода, 4 – отсутствие прецедента (горизонтальный газопровод). Алгоритм управления подсистемой регуляторного уровня представлен на рисунке 3.14.
В графической среде Simulink программного комплекса MATLAB реализована система управления подсистемой регуляторного уровня. Данная система управления включает в себя следующие основные блоки: блок расчета силы для регулировки радиуса робота; блок расчета суммы сил реакции опоры; блок расчета осевой силы на основании вычисленной силы тяги; блок определения режимов работы робота на основании типа прецедента; пропорционально-интегральный регулятор для регулирования радиуса робота; пропорционально-интегральный регулятор для регулирования осевой силы центрального двигателя робота.
Модель подсистемы управления представлена на рисунке 3.15. Первые три блока показаны на схеме в виде свернутых подсистем. Содержание данных блоков приведено на рисунках 2.5, 2.6 и 2.7
Входными параметрами алгоритма управления подсистемой регуляторного уровня являются: угол ориентации колесных модулей (); угол наклона газопровода относительно вертикали (); радиус газопровода (Rt); тип прецедента подсистемы регуляторного уровня (PrecR).
Составим общую схему управления мобильным роботом, учитывая разработанные алгоритмы и методику управления. Схема управления представлена на рисунке 3.16.
Основными частями схемы являются 4 блока: сенсорная подсистема, система управления, подсистема исполнительных механизмов и интерфейс оператора.
Сенсорная подсистема включает в себя следующие устройства: три лазерных дальномера, неподвижных относительно корпуса робота, установленных на каждом колесном модуле робота; система с подвижным дальномером; гироскоп для определения двух входных параметров системы – угла наклона трубопровода относительно вертикали и угла ориентации колесных модулей.
Система управления состоит из двух ключевых частей: подсистема обработки сенсорной информации, в которой производится определение наличия и типов встречающихся прецедентов и формирование множества прецедентов, и центральный блок управления, в котором вычисляется набор управляющих переменных на основании математической модели робота, методики и алгоритмов управления [57].
Три колесных модуля и центральный двигатель робота, отвечающий за изменение диаметра робота и силу упора в стенку трубопровода, составляют основу подсистемы исполнительных механизмов. В нее также входят блок определения параметров двигателя и датчики контроля параметров моторов.
Интерфейс оператора состоит из программы для задания целевых направлений робота (определения количества тройников и указания движения на каждом из них) и программы принятия решений в случае критических ситуаций, когда робот не сможет выполнять действия без команды оператора, например в случае обнаружения непроходимого участка газопровода.
1. Раскрыты основные понятия, применяемые в управлении инспекционным роботом и приведенные в задаче управления роботом. Рассмотрено понятие режима работы мобильного робота, который задается парой значений групп типов прецедентов: группа типов прецедентов подсистемы регуляторного уровня и группа типов прецедентов подсистемы ситуационного уровня. Для колесного диагностического робота рассматривается 12 различных режимов работы.
3. Разработана методика управления колесным роботом, обеспечивающая преодоление встречающихся прецедентов в заранее неизвестных условиях, которая отличается использованием алгоритмов по определению типов прецедентов и правил выбора алгоритмов по формированию управляющих решений в зависимости от текущей ситуации.
4. Разработаны алгоритмы определения наличия прецедента, определения типа прецедента регуляторного уровня и типа прецедента ситуационного уровня, которые основаны на данных сенсорной подсистемы инспекционного робота.
5. Синтезирован алгоритм, в соответствии с которым производится управление подсистемой регуляторного уровня на основе аналитической модели ММ1. На основании типа прецедента, встречающегося роботу при движении в газопроводе, производится выбор режимов работы системы управления, а также устанавливается взаимосвязь блоков математической модели регуляторного уровня.
6. В графической среде Simulink реализована система управления подсистемой регуляторного уровня. Входными параметрами системы управления являются: угол ориентации колесных модулей, угол наклона газопровода относительно вертикали, радиус газопровода, тип прецедента подсистемы регуляторного уровня. Выходная переменная – вычисляемое значение осевой силы.
7. Составлена общая схема управления мобильным роботом, учитывая разработанные алгоритмы и методики управления. Основными частями схемы являются 4 блока: сенсорная подсистема, система управления, включающая подсистему обработки сенсорной информации и центральный блок управления, подсистема исполнительных механизмов и интерфейс оператора.