1.2. Основные задачи и принципы построения суд мр.
Под процессом управления движением объекта понимают создание управляющих воздействий (усилий), способных изменять режимы и параметры его движения с целью необходимого изменения траектории, местоположения и ориентации объекта.
Теория управления движением изучает законы изменения режимов и параметров движения под действием приложенных к объекту управляющих и возмущающих сил и моментов. Способность объекта к изменению режимов и параметров движения, местоположения и ориентации под действием управляющих усилий называют управляемостью объекта.
Взаимодействие ОН со средой движения характеризуется возникновением реакций и восстанавливающих сил. При возникновении восстанавливающих сил объект называют активным в смысле управления, если восстанавливающие силы отсутствуют – объект называют нейтральным. Способность ОН к сохранению параметров движения, несмотря на действие внешних возмущений при взаимодействии со средой движения, называют устойчивостью (инвариантность к внешним возмущениям).
При решении задачи автоматического управления движением различных ОН, например, самоходных наземных машин, морских судов, воздушных и космических летательных аппаратов, снарядов и ракет необходимо обеспечить:
наличие информации о текущих местоположении и ориентации ОН;
вычисление (обнаружение и измерение) отклонений текущих местоположения и ориентации ОН от желаемых (или заданных), как разности между текущими и желаемыми (или заданными) местоположением и ориентацией ОН соответственно;
выработку управляющих сигналов, соответствующих текущим отклонениям;
исполнение органами управления ОН управляющих воздействий, обеспечивающих в процессе движения сведение к минимуму отклонений;
устойчивость движения ОН.
При этом управление рассматривается как процесс осуществления воздействий, соответствующих определённому алгоритму управления. Под алгоритмом управления понимают совокупность предписаний, определяющих характер воздействий на управляемый объект с целью выполнения им заданного алгоритма функционирования. Под алгоритмом функционирования понимают совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению объектом технического процесса, соответствующего его функциональному назначению.
Таким образом, СУД должна иметь в своём составе информационные (сенсорные), вычислительно-управляющие и исполнительные (двигательные, моторные) устройства, функционирующие совместно с целью обеспечения заданных (или планируемых) режимов и параметров движения ОН, его местоположения и ориентации (Рис.1.5.).
ИИС – информационно-измерительная система (сенсорная система) является искусственными органами чувств МР (средствами очувствления) и машинного зрения (система технического зрения - СТЗ). ИИС воспринимает и преобразовывает информацию о состоянии окружающей среды (внешнего мира) и самого МР для обеспечения её восприятия ВУС – вычислительно-управляющей системой. Основными элементами ИИС являются сенсоры геометрических, физических и химических свойств внешней среды, телевизионные, оптико-электронные и радиолокационные устройства, акустические датчики и гидролокаторы, лазерные и ультразвуковые дальномеры, тактильные, контактные, силомоментные и индукционные датчики, а также датчики положения, скорости и ускорения (акселерометры).
ВУС – вычислительно-управляющая система играет роль “мозга” СУД МР, является его интеллектуальной системой. ВУС технически воплощает (вырабатывает) законы управления приводами и механизмами двигательной (моторной) системы (ДС) на основе алгоритмов управления по сигналам ИИС (в том числе сигналов обратной связи) с целью организации активного взаимодействия МР с окружающей средой (средой движения) и выполнения заданного или планируемого перемещения МР в пространстве. ВУС организует общение с внешним миром на выбранном языке, распознаёт текущие ситуации и моделирует среду, планирует действия и принимает целенаправленные решения, программирует и оптимизирует движение ОН МР. Адаптационные и интеллектуальные возможности СУД МР определяются алгоритмическим и программным обеспечением ВУС. ВУС на современном этапе является сложной многомикропроцессорной системой, как правило – цифровой, а ИИС и ВУС часто представляют как единую информационно-управляющую систему (ИУС).
Рис.1.5. Укрупнённая схема построения системы “ОН - СУД”.
ИИС – информационно-измерительная система;
ВУС – вычислительно-управляющая система;
ИУ – исполнительные устройства;
РУ – рулевые устройства;
ТС – тормозная система;
ДС – двигательная (моторная) система;
ЗПД, ДПД – заданные и действительные параметры движения;
СУВ – сигналы управляющих воздействий;
УВ – управляющие воздействия;
f(t) – возмущающие воздействия;
СС – система связи;
МР – мобильный робот.
Интеллектуальный СУД МР по мере накопления и преобразования информации может обучаться новым понятиям и навыкам (свойство самообучения), самопрограммировать движение ОН МР и проводить самонастройку законов управления.
ИУ – исполнительные устройства, включающие в состав привода рулевого устройства РУ, тормозной системы ТС и двигательной (моторной) системы ДС.
ДС – двигательная (моторная) система включает в свой состав двигатель (например, двигатель внутреннего сгорания, дизель, газотурбинный двигатель или другие); движители ОН (колёсные или гусеничные); приводы, передающие движение от двигателя на движители ОН (механические или гидрообъёмные трансмиссии); органы и приводы управления ТС, ДС, РУ и ВУС. ДС характеризует динамические свойства ОН, его способность совершать манёвры и разнообразные движения. Это достигается в результате исполнения сигналов управляющих воздействий и активного взаимодействия движетеля ОН с окружающей средой.
СС – система связи предназначена для обмена информацией с внешним миром, приёма заданий МР и преобразования информации к виду, воспринимаемому ВУС, передачи информации о техническом состоянии и функционировании МР. В сложных робототехнических комплексах СС служит для обмена информацией между МР и командным пунктом.
Так как объектом управления СУД МР является ОН МР, то необходимо представлять систему “ОН - СУД” как единую систему автоматического регулирования.
Рассмотрим варианты режимов работы систем управления по структурной схеме единой системы автоматического регулирования “ОН - СУД” (Рис.1.5.).
Вариант 1. Движение с постоянным параметром. Заданный параметр движения постоянен (ЗПД = const) и является результатом настройки заданного режима движения ОН. Возмущающее воздействие f(t) внешней среды на ОН вызывает нарушение заданного режима движения и отклонение действительных параметров движения (ДПД) от заданных, установившихся в процессе настройки. Вычислительно-управляющая система производит вычисление необходимых сигналов управляющих воздействий (СУВ). Двигательная система, исполняя УВ, ликвидирует отклонения действительных параметров движения от заданных, происходит стабилизация ДПД на уровне ЗПД.
В данном случае схема представляет собой типичную замкнутую систему автоматического регулирования, в которой ОН является объектом регулирования, а СУД – регулятором. При этом основной задачей СУД МР будет обеспечение устойчивости процесса стабилизации ДПД ОН МР.
Вариант 2. Движение по заранее заданному маршруту. При этом заданный параметр движения является наперёд заданной функцией времени (ЗПД = y(t)). При этом СУД МР решает как задачу качественного воспроизведения изменения ДПД в соответствии с законом изменения ЗПД, так и задачу компенсации влияния на ДПД возмущающих воздействий f(t) и обеспечения устойчивости движения ОН.
В данном случае схема представляет собой следящую систему с задающим воздействием ЗПД = y(t), возмущающим воздействием f(t) и выходными переменными ДПД.
Вариант 3. Движение в неопределённой (неорганизованной) среде по неизвестному заранее маршруту. Заданный параметр движения заранее не определён, определена лишь функциональная задача МР с её конечной целью: например, выход в заданный район (точку) в условиях неорганизованной среды. Сигналы управляющих воздействий непрерывно вырабатываются ВУС в зависимости от соответствия текущих значений ДПД необходимым ПД в изменяющихся условиях решения поставленной перед МР задачи. Здесь информационно-измерительная система включает в свой состав развитые средства очувствления и машинного (технического) зрения; ВУС обладает элементами искусственного интеллекта и является “мозгом” СУД МР, способным проанализировать изменяющиеся условия внешней среды и выработать такие управляющие воздействия, которые обеспечат решение поставленной перед МР задачи оптимальным вариантом.
В заключении отметим противоречивость обеспечения устойчивости и управляемости системы “ОН - СУД” в динамическом режиме: