Автореферат диссертациипо теме "Разработка алгоритмов управления движением автономных мобильных роботов"

На правах рукописи

ЛИСИЦКИЙ Денис Леонтьевич

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ АВТОНОМНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о яне гон

Саратов-2012

005048118

005048118

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Большаков Александр Афанасьевич

Официальные оппоненты: Резчиков Александр Федорович,

чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор, Институт проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов), директор

Щербатов Иван Александрович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ «Астраханский государственный технический университет», докторант кафедры «Вычислительная техника и электроника»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

технический университет им. Н.Э. Баумана»

Защита состоится 26 декабря 2012 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.04 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.», ауд. 1/319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.».

Отзыв на автореферат (в двух экз.), заверенный печатью, просим выслать по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»., каф. СИИ.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Автореферат разослан «26» ноября 2012 года

Ученый секретарь /

диссертационного совета В.В. Алешкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Современным перспективным направлением робототехники является создание мобильных роботов, автономно перемещающихся относительно длительное время по открытой пересеченной местности. Создание таких роботов позволит сравнительно дешево и без опасности для здоровья людей решать комплекс задач, связанных с защитой и охраной окружающей среды, разведкой местности в интересах различных организаций. Основные трудности при этом состоят в создании алгоритмического обеспечения, позволяющего автоматически управлять движением роботов, используя информацию о его положении относительно инерциальной системы координат и препятствий местности.

Указанные факторы обусловливают неослабевающий интерес к решению проблем синтеза алгоритмов работы систем автоматического управления автономным движением мобильных роботов. Различным аспектам этой проблемы посвящены работы отечественных (А.Р. Гайдука, H.A. Глебова, В.Н. Голубятникова, И.А. Каляева, С.Г. Капустяна, В.М. Лохина, C.B. Манько, М.Ю. Медведева, P.A. Нейдорфа, Ю.В. Подураева, В.Х. Пшихонова, Е.И. Юревича, A.C. Ющенко, C.B. Петрова, П.К. Плотникова, В.Б. Никишина и др.) и зарубежных (A.B. Moutinho, Е. Hygounenc, P. Soueres, I. Jung, S. Lacroix, G.С. Avenant, С.H. Hong, K.C. Choi, В.S. Kim) ученых.

Однако при наличии большого числа публикаций, в которых используются как классические, так и современные подходы к синтезу алгоритмов обработки информации и управления, задача остается не решенной в полной мере. Это связано с излишней идеализированностью ее постановки, не учитывающей принципиальную невозможность знания точной математической модели робота, из-за отсутствия требуемого учета возможностей и характеристик реальных датчиков и желания авторов решить плохо формализуемую проблему управления при наличии большого количества разнородной информации на основе одного, иногда достаточно сложного алгоритма.

Таким образом, актуальность задачи создания алгоритмов работы системы управления движением мобильных роботов, с одной стороны, определяется востребованностью мобильных роботов, с другой - отсутствием работоспособных процедур, позволяющих успешно управлять движением роботов по пересеченной местности.

Целью диссертационной работы являются анализ и синтез алгоритмов обработки информации системой управления движения мобильного робота, расширяющих его возможности автономного перемещения по открытой пересеченной местности.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующего ряда задач диссертационного исследования:

• создать стратегию управления движением мобильного робота по пересеченной местности, выбрать структуру системы управления;

• разработать алгоритм формирования программной траектории объезда препятствий местности и проезда внутри группы препятствий;

• разработать методику построения регуляторов, обеспечивающих отслеживание роботом программной траектории с заданной точностью;

• разработать комплекс программ для проверки работоспособности предложенных алгоритмов на основе математического моделирования.

Методы исследования основаны на использовании теорий управления, системного анализа, аналитической механики, нелинейных систем, наблюдения и фильтрации, интеллектуальных систем, теории матриц, на методах имитационного моделирования.

Научная новизна работы:

• на основе системного анализа поставлена и формализована задача управления движением мобильного робота по пересеченной местности, отличающаяся применением для решения метода декомпозиции, при этом исходная задача заменяется на несколько относительно простых, что позволило предложить стратегию управления и структуру системы управления;

• разработан алгоритм формирования программной траектории, отличающийся учетом информации от системы технического зрения, ограничений на управление, что позволило обеспечить заданную точность объезда роботом препятствий местности и перемещения внутри их группы;

• разработана методика построения систем, отличающаяся учетом ограничений на скорость и отклонение органов управления объектов, базирующаяся на результатах анализа влияния на динамику и устойчивость систем этих ограничений, что позволило максимизировать полосу пропускания системы, или минимизировать отношение ограничения по скорости к ограничению по отклонению.

Практическая ценность работы состоит в том, что использование ее результатов позволяет:

- придать мобильным роботам новые функциональные возможности, существенно повысить сложность преодолеваемого рельефа и увеличить возможность успешного прохождения маршрута;

- обоснованно выбирать конфигурацию, комплектацию системы и основные технические характеристики ее блоков.

На защиту выносятся:

1. Стратегия управления движением мобильного робота по пересеченной местности и структура системы управления.

2. Алгоритм формирования программной траектории объезда препятствий.

3. Результаты анализа и методика построения систем, на органы управления объектов которых наложены ограничения по скорости и отклонению.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены на Международной научной конференции «Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50) (Саратов, 2009 г.); ХХШ Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Псков, 2010 г.); Российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» (Москва, ИПУ РАН, 2010 г.); Всероссийской конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010 г.); XIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2011 г.); Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации АТМ-2011» (Саратов, 2011 г.).

Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационное исследование выполнено в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» по теме «Разработка распределенной вычислительной среды для создания систем управления жизненным циклом мобильных мехатронных комплексов» (ГК № 02.740.11.04 82, 2010-2011 гг.); НИР «Разработка алгоритмического обеспечения системы управления мобильного робота» (ГК №8758р/13975 от 14.11.2011). Результаты исследований используются в Институте проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов), других организациях, а также при подготовке специалистов в СГТУ имени Гагарина Ю.А. Работа

поддержана грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе УМНИК.

Публикации. Основные положения диссертации достаточно полно изложены в 16 печатных работах, из них 6 статей - в журналах из перечня ВАК, 2 - свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы из 144 наименований, 3 приложения, 72 рисунка и 1 таблицу. Основное содержание работы изложено на 147 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность работы, ее научная новизна, теоретическая и практическая значимость. Описана цель и поставлены задачи диссертационного исследования.

В первой главе проведен аналитический обзор существующих конструктивных схем мобильных роботов и алгоритмов управления движением. Определена информация, необходимая для управления движением мобильного робота по пересеченной местности, требования к ней. Описаны характеристики существующих датчиков, позволяющих получать эту информацию. Проведен системный анализ, результаты которого позволили определить направление диссертационного исследования.

Сделан вывод, что наиболее подходящей конструктивной схемой для мобильного робота, автономно перемещающегося по пересеченной местности, является четырехколесная схема со всеми ведущими колесами и передними колесами с изменяемой плоскостью вращения, так как эта схема при высокой маневренности и проходимости обладает хорошей устойчивостью к переворачиванию. На основе работ по теории движения автомобиля получена математическая модель плоского движения робота как абсолютно твердого тела (1) и предложена методика идентификации ее параметров. При составлении модели за полюс выбрана точка Олежащая на середине задней оси робота, так как угол поворота траекто- Рис. 1. Кинематическая схема поворота рии этой точки равен углу рыскания (кинематиче- четырехколесного робота

екая схема поворота приведена на рис. 1), двигатели колес одного борта считались включенными параллельно.

тУ0=т,^ Ув02 - рпУа - ^-М^ (1 + сое в) + у /', (1 + соэ в) + у /2(1 + соэ в);

П = -МпП+МвУ01ё9; !Р = П; Ха = У0соеЧ>\ Ув = У05тЧ>\

Ш г да г

Хс=Х0+|со эУ; Ус = У0+^тЧ>-, Уа = ^соз^ + П^шУ; УСу = У^тТ + П^ъоьЧ',

где т — масса робота; т\ - масса робота без задних колес; Ь - колесная база; г - радиус колес; I - половина длины колесной оси; У„ - алгебраическое значение вектора

скорости точки 0'%\ *Р- угол поворота траектории точки 0[; П — угловая скорость корпуса робота относительно вертикальной оси; в - средний угол поворота плоскостей вращения управляющих колес робота; Хс, Ус - координаты центра масс робота в стартовой системе координат (ССК); Ус„ УСу — проекции вектора скорости центра масс на оси ССК; Х„:, У„ — координаты точки 0'к в ССК; М^ - момент трения качения одного колеса; п - коэффициент передачи редуктора; с — коэффициент электромагнитного взаимодействия; /ла - коэффициент вязкого трения; Мп = \/Тп; Та - постоянная времени переходного процесса смены траектории движения; Мд =1/(6-7^); ¡¡, ¡2 -токи цепей якоря двигателей правого и левого бортов; Ь — обобщенная индуктивность цепи якоря одного двигателя; Я - активное сопротивление цепи якоря одного двигателя; {/;, II2- напряжения на якорях двигателей правого и левого бортов.

Показано, что одним из условий адекватности модели (1) является выполнение ограничений, накладываемых на угол поворота и угловую скорость плоскости вращения управляющих колес робота:

-0тах<0<0тах; -в^<в<От^ (2)

где $тах; /9тах - максимальные допустимые значения соответствующих переменных.

Для функционирования системы управления движением мобильного робота необходима информация о его положении относительно окружающей местности и в ССК. Определение положения робота относительно окружающей местности производится с помощью различных систем технического зрения. Максимальная точность позиционирования достигается при использовании лазерных дальномеров со сканирующим лучом, определяющих положение препятствия на расстоянии до 50 м с точностью до 0,01 м. Для определения положения робота в ССК наиболее целесообразно использовать комплексные системы ориентации и навигации, объединяющие информацию глобальной спутниковой навигации (СРБ), инерциальных, магнитных и прочих датчиков информации о положении робота. Исследования, проведенные автором, показали, что, комплексируя информацию приемника СР8, современных серийных микромеханических гироскопов, акселерометров и одометров, можно определять положение робота в ССК с точностью до 0,15 м, а при использовании оптоволоконных гироскопов - до 0,05 м.

При объезде препятствий местности робот вынужден совершать достаточно резкие маневры. В этих условиях на динамику системы «объект-регулятор» существенно влияют ограничения на управляющие органы объекта. Поэтому требуется разработать методики анализа и синтеза, позволяющие учитывать влияние этих ограничений на динамику системы «робот-регулятор».

Анализ известных систем управления движением мобильных роботов показал, что достаточно хорошо разработаны и реализованы принципы построения систем управления роботами, перемещающимися по заранее известным траекториям, которые определяются директивными способами: контрастные линии, высокочастотные кабели, автомобильные дороги. Эти системы могут предусматривать достаточно сложное поведение робота, включающее переход с одной возможной траектории на другую, анализ препятствий местности, оптимальное управление группой роботов. Однако ни одна из них не учитывает возможности объезда препятствия отклонением от заданной траектории. Известные экспериментальные системы управления роботами, позволяющие объезжать препятствия, используют очень неточные и малоинформативные датчики, что не позволяет им находить оптимальные траектории объезда; часто управление выбирается методом проб и ошибок.

Теоретически хорошо разработаны системы управления группами роботов и отдельными роботами в игровых ситуациях. Однако для управления эти системы требуют постоянной полной информации о пространстве и положении роботов, что при движении по открытой местности принципиально невозможно. При перемещении робота по открытой местности часть информации о ней может быть известна заранее, например, топографическая информация, другая часть может быть получена только в процессе движения с помощью систем технического зрения. Однако наличие полной информации об участке местности, по которому должен перемещаться робот, принципиально невозможно. Поэтому чрезвычайно актуальна разработка алгоритмов работы систем управления мобильными роботами, позволяющих им успешно перемещаться по открытой местности при использовании разнородной информации о ней и в условиях частичной неопределенности.

Во второй главе описывается выбранная стратегия управления, основанная на принципе декомпозиции и состоящая из трех последовательных этапов, а также предлагаемая структура системы, позволяющая реализовать этот принцип. Кроме этого, описан синтез алгоритмов управления на первых двух этапах.

Успешно управлять движением робота по пересеченной местности можно, используя всю доступную на современном этапе технического развития информацию, включая топографическую, о положении робота относительно окружающей местности и в ССК. Эффективное использование такой разнородной информации представляет сложную задачу. Поэтому при управлении движением мобильного робота целесообразно использовать принцип декомпозиции, разделяя общую очень сложную задачу на три относительно простых, решаемых последовательно.

На первом этапе управления по топографической информации об участке местности, по которому должен перемещаться робот, формируется опорная траектория. Под опорной траекторией будем понимать оптимальную в смысле безопасности проезда робота траекторию, соединяющую контрольные точки маршрута, аппроксимированную отрезками прямых, точки сопряжения которых в дальнейшем будем называть опорными. На втором этапе формируется программная траектория движения робота от одной опорной точки к другой, которая огибает препятствия местности, минимально отклоняясь от опорной траектории. Для обнаружения этих препятствий должны использоваться датчики системы технического зрения, например, лазерный дальномер со сканирующим лучом. На третьем этапе робот под управлением регулятора отслеживает программную траекторию.

Для формирования опорной траектории целесообразно использовать карту местности в векторном формате, которая является совокупностью элементарных ячеек, например, разбита на квадраты определенного размера. Размер каждого из этих квадратов должен позволять свободный проезд робота при условии возможности объезда препятствий местности. Каждая ячейка карты должна сопровождаться определенными атрибутами, к которым относятся: координаты центра ячейки, количественная оценка степени проходимости данного участка для робота.

В качестве критерия оптимальности опорной траектории предложено условие минимизации функционала вида:

/ = 2>Д-»1шп, (3)

1

где г - номер участка по порядку прохождения; Л, - коэффициент «проходимости» участка с номером (, определяющий степень трудности прохождения заданного

участка роботом; ^ - длина пути робота по участку с номером г; п - количество проходимых участков.

Для построения оптимального маршрута выбран алгоритм Дейкстры. Аппроксимация оптимального маршрута отрезками прямых проводится по адаптивному алгоритму, исходя из критерия ограничения максимального отклонения опорной траектории от оптимальной.

Система технического зрения позволяет роботу «видеть» только обращенную к нему сторону препятствия. При движении внутри группы препятствий робот, «не зная» их протяженности вдоль опорной прямой, не может отделить препятствия друг от друга и определить возможный маршрут движения. Используя гипотезу ограниченности размеров препятствия, разработан алгоритм предварительной селекции препятствий, в результате работы которого препятствия «игнорируются» или «объединяются». Тогда робот в каждый момент времени «видит» только одно или цепочку последовательно расположенных вдоль опорной прямой препятствий.

Для обеспечения возможности разделения второго и третьего этапов управления систему предлагается строить в классе систем «с моделью» по структурной схеме, изображенной на рис. 2, на которой введены следующие обозначения: X, Х0, Хм -вектора текущего, желаемого конечного состояний объекта и текущего состояния модели в ССК; и - вектор управлений объекта; им - вектор управлений модели; ВПУ -вычислитель программного управления; «Объект» - объект управления; «Модель» -упрощенная математическая модель объекта управления, на основе которой синтезирован алгоритм выбора программного управления; ПК и КОС - соответственно, каналы прямой и обратной связи регулятора, синтезированные, исходя из условия наилучшего возможного отслеживания объектом координат модели; «Датчики ССК» - датчики положения робота в ССК; «Датчики системы ТЗ» - датчики системы технического зрения; АХ0 - вектор координат конечной точки в системе координат (СК), связанной с объектом; АХи - вектор точки начала СК, «связанной» с моделью, в СК, связанной с объектом; ЗХМ - вектор координат конечной точки в СК модели.

Показано, что структура на рис. 2 эквивалентна структуре, состоящей из двух последовательно включенных подсистем «модель-ВПУ» и «объект-регулятор». Подсистема «модель-ВПУ» формирует программную траекторию, а подсистема «объект-регулятор» ее отслеживает. Так как в системе в явной форме отсутствует общая обратная связь, то её устойчивость и грубость определяются этими характеристиками подсистем; изменения параметров устройств, входящих в одну подсистему, не влияют на устойчивость другой подсистемы. Поэтому упрощенную модель объекта можно выбирать предельно простой, что в свою очередь упрощает алгоритм работы ВПУ.

Так как управлять можно только изменением вектора скорости центра масс робота в горизонтальной плоскости, задачу управления движением робота при объезде препятствий можно рассматривать как плоскую. При этом, с использованием специального алгоритма распознавания образов, обнаруженные препятствия должны быть представлены как запретные области на плоскости.

Элементы структуры, изображенной

Рис. 2. Обобщенная структура системы

на рис. 2, кроме датчиков и объекта управления, реализуются в центральном процессоре системы. С учетом набора необходимых датчиков и исполнительных устройств, обобщенная блок-схема системы приобретает вид (рис. 3), на котором введены следующие дополнительные обозначения: ТИУС, ТИКУ, ТММ - соответственно, трех-компонентные измерители угловых скоростей, кажущихся ускорений и трехкомпо-нентный магнитометр; ПУП — подсистема управления поворотом управляющих колес; ПУД 1, ПУД 2 - соответственно, подсистемы управления тяговыми двигателями и правого и левого бортов; С/,*, Ц*г, в* - рассчитанные значения соответствующих управлений.

Упрощенную математическую модель движения центра масс робота желательно выбирать так, чтобы их естественные траектории движения (при постоянных значениях управления) были как можно ближе. Поэтому она выбрана в виде кинематических дифференциальных уравнений плоского движения материальной точки:

= УМ<Х>5Ч>,

■ = ё»т>

(4)

где Ум, Хм- координаты упрощенной модели объекта в ССК АХУ (рис. 4); Ум- модуль вектора скорости центра масс модели; Ум - угол поворота траектории; угловая скорость вращения вектора ^относительно вертикальной оси; пт- касательная перегрузка модели; £ - ускорение силы тяжести.

В уравнениях (4) Хм, Ум, Ум, Ум будем рассматривать как координаты модели в пространстве состояния; 'Ям, пг - как управления, которые далее будем называть программными. На координаты и управления упрощенной модели робота наложены ограничения:

Первое из неравенств (5) ограничивает угол поворота программной траектории, второе - радиус кривизны траектории, третье - учитывает конечную мощность тяговых двигателей. Величины ограничений следует выбирать так, чтобы динамические свойства робота позволяли ему отслеживать «движение» модели. Показано, что естественные траектории моделей (1) и (4) различаются только на начальных этапах переходных процессов.

I Коорди наты опорных точек

_|Препятствия местности

'[>, • Л

Система

технического

зренш

Прнмнш

ОР8

п. ПУД1 (Л

пуд;

р 1> =Г я а- ®

- Пода 1стемл орт шши в I |

_ _!' навигации___|

Информация спутников

Рис. 3. Обобщенная блок-схема системы управления Пусть в качестве системы технического зрения используется лазерный дальномер с лучом, сканирующим в горизонтальной плоскости, угол сканирования которого равен

2<Ртах- Причем (ZW не меньше максимального угла поворота траектории и изменяется дискретно с интервалом Дср (рис. 4). Дальномер позволяет вычислить координаты видимых точек препятствия в связанной с объектом системе координат. Предполагается также, что на корпусе робота установлены два лазерных дальномера с неподвижными лучами, измеряющие расстояние от робота до препятствий в направлении, перпендикулярном прямой АВ.

Необходимо, чтобы робот переместился из некоторой окрестности опорной точки А в опорную точку В (рис. 4) по траектории, минимально отклоняющейся от прямой, соединяющей эти точки. Причем перемещение по прямой линии невозможно из-за препятствий произвольной формы, известной только частично (рис. 4). Робот должен объехать препятствие так, чтобы расстояние между ним и препятствием, измеряемое вдоль оси AY, никогда не было меньше Y, (рис. 4).

Любой маневр по объезду препятствия можно представить в виде совокупности траекторий двух типов: переход в точку, находящуюся на расстоянии 73 от точки препятствия, представляющей в данный момент опасность для робота (точки кривой CD, рис. 4); возвращение к оси АХ, если опасных точек не обнаружено. Не обязательно, что наиболее опасной для робота является точка препятствия, которая наиболее удалена от оси АХ. Поэтому алгоритм работы ВПУ должен за каждый полупериод сканирования анализировать все «видимые» точки препятствий, выбирать наиболее опасные и формировать управление, переводящее объект (4), (5) из произвольного начального состояния в точку, удаленную вдоль оси A Y на расстоянии К3 от наиболее опасной в данный момент точки препятствия (рис. 4) с углом поворота траектории, равным нулю QFM = 0), либо возвращать объект к оси АХ. В момент принятия решения робот может находиться в любой точке плоскости AXY.

Формализованный критерий оптимальности программной траектории выбран в виде:

ао

1 = \\¥м\Л-лгтп. (6)

о

Показано, что минимизация функционала (6) в рамках модели (4), (5) при пх = 0, VM = const требует создания системы с максимальным быстродействием. Тогда согласно принципу максимума Понтрягина и теореме о п интервалах оптимальное управление QM будет релейным и принимает значения (£imax,0, -fimax). Для синтеза алгоритма выбора Цм использовалась методика анализа положения изображающей точки относительно фазового портрета оптимального переходного процесса, построенного в пространстве состояния:

х,=Хш-Хм- у/ = Уп, + Y3sign(Yni )—Ум; 4>м, (7)

где Х^, Ynl - координаты i-й точки препятствия в стартовой СК.

Алгоритм представляет последовательность условных операторов и не приводится из-за значительного объема. Управление пх используется для торможения объ-

м С D V

ч ч ч уу± Л

/ /

М М/ у / \ ч Г \ X

\ > 'фш» \ в

\

\ \ \ ч \ ч у

С

Рис. 4. Иллюстрация постановки задачи

екта при заезде в тупик. Для придания системе грубости в релейный алгоритм введена небольшая зона линейности.

В результате интегрирования уравнений (4) с выбранным значением управления в реальном времени получают численное значение координат модели Ум, 1¥м, Ум, которые определяют программную траекторию в каждый момент времени. Координату Хм модели принимаем равной значению координаты Хс центра масс робота.

В третьей главе исследуется влияние ограничений по скорости и отклонению управляющих органов объекта на динамику системы «объект-регулятор».

У мобильного робота, как и большинства других подвижных объектов управления, отклонение управляющих органов и скорость их отклонения достаточно жестко ограничены, что обычно обусловлено конструктивными особенностями объекта управления. Ограничение скорости отклонения управляющих органов, кроме того, объясняется стремлением уменьшить массу и энергопотребление привода. В одномерной постановке задачи структуру подобной системы можно представить в виде, изображенном на рис. 5, на котором использованы следующие обозначения: Ио(х), Ир(.?), - передаточные функции объекта управления, регулятора и линейной ча-

сти привода; НЭ-1 - нелинейное звено типа «ограничение»; НЭ-2 - нелинейное звено типа «интегратор с ограничением выходного сигнала»; У - выходная переменная системы; У3 — заданное значение выходной переменной; в — управляющая переменная объекта.

Нелинейные звенья НЭ-1 и НЭ-2 составляют нелинейную часть системы, остальные - линейную. При определенных условиях в таких системах могут возникнуть ав-

Рис. 5. Структурная схема САУ движущимся объектом

токолебания большой амплитуды, что приводит к их неработоспособности. Для исследования условий возникновения автоколебаний использовался метод гармонической линеаризации. Смещенные нормированные эквивалентные частотные характеристики (ЭЛАХ, ЭЛФХ) нелинейной части исследуемой системы определены численным моделированием.

в = «Д; А=Л/Ь1; Ш„(А,т = ]тГи(А,]Ш); Гл(/2») = -^1Г,(]са), (8)

где со, А - частота и амплитуда входного сигнала нелинейной части; ¿ь Ь2 - соответственно, максимальные величина отклонения управляющего органа и скорость отклонения; \\ГП(А,]Щ - эквивалентная частотная передаточная функция нелинейной части; 1ГлиЩ - частотная передаточная функция линейной части; черта сверху - символ нормировки.

С использованием полученных графиков и правила нормировки проведен анализ влияния степени астатизма линейной части системы и величин ограничений Ь„Ь2 на взаимное положение графиков ЛАХ и ЛФХ линейной части и графиков смещенных нормированных ЭЛАХ и ЭЛФХ нелинейной части, на устойчивость гармонически линеаризованной замкнутой системы. В результате анализа установлено: • полоса пропускания линейных частей систем, обладающих астатизмом первого и второго порядков, ограничена, далее рассматриваются только такие системы;

• график смещенной нормированной ЭЛФХ для А > 1,5 является границей перемещения ЛАХ и ЛФХ линейной части в область высоких нормированных частот;

• на устойчивость системы влияют не величины ограничений, а их отношение;

• если нормированная частота среза линейной части системы Шср > 1,5, то увеличение отношения ¿>,/¿2 снижает запас устойчивости системы в нелинейной постановке задачи, а уменьшение этого отношения - увеличивает;

• устойчивые системы, линейная часть которых обладает астатизмом первого порядка, устойчивы «в целом», а второго порядка - только «в большом».

Проведенный анализ позволил предложить методику построения рассматриваемого класса нелинейных систем. Возможны два варианта постановки задачи.

1. Если требования к качеству работы системы в линейной постановке задачи известны и требуется определить величины ограничений, то в процессе синтеза может быть определена минимальная величина отношения ограничений Ь2/1\ с точки зрения устойчивости и качества регулирования в нелинейной постановке задачи.

2. Если заданы величины ограничений 6,,62, то можно определить параметры регулятора, обеспечивающего максимально возможную полосу пропускания линейной части системы, и, соответственно, максимально возможную динамическую точность системы.

В обеих постановках задача построения системы решается графоаналитически. Методика сводится к выбору параметров системы, при которых линейная часть системы смещена в область возможно больших нормированных частот, допустимых в смысле устойчивости гармонически линеаризованной системы.

Анализ модели (1) позволил выделить подсистему управления поперечным отклонением от программной траектории, линеаризованная математическая модель которой имеет вид (9), на управление в наложены ограничения (2).

= --^-, (9)

где Гд - постоянная времени датчиков.

Закон управления регулятора выбран в виде:

^сДУм-^ + с^-УО + Сз^м-Я ). (Ю)

Коэффициенты передачи регуляторов с,, с2, с3 найдены по предложенной методике при заданных ограничениях (вт =0,4рад/с, =0,1 рад) и сгЛ11„ = 0. Для проверки эффективности методики синтеза численное моделирование синтезированной системы проводилось при варьировании заданных величин ограничений и выбранного времени регулирования в линейной постановке задачи. Результаты моделирования приведены на рис. 6, 7. Из графиков рис. 6 видно, что при уменьшении максимальной скорости отклонения управляющих органов по сравнению с заданной, колебательность переходных процессов резко увеличивается вплоть до потери устойчивости. При этом даже значительное увеличение , по сравнению с заданным, практически не изменяет переходного процесса. Из графиков рис. 7 видно, что при уменьшении времени регулирования системы в линейной постановке задачи по сравнению с выбранным ('р„нн = 2,5 с) и сохранении <тЛ1Ш = 0, колебательность переходных процессов в нелинейной системе резко увеличивается, вплоть до потери устойчивости.

Из результатов моделирования следует, что предлагаемые методики анализа и синтеза позволяют эффективно и точно определять минимально допустимую величину отношения ограничений Ь2 /6, при заданном быстродействии системы в линейной

постановке задачи и максимально достижимое быстродействие при заданном отношении величин ограничений.

Законы управления модулем вектора скорости выбраны в виде:

и^и—п, и2=и+^п, (11)

где - коэффициенты передачи. На устойчивость подсистемы управления модулем вектора скорости ограничения не влияют, поэтому для синтеза регуляторов использовался метод модального управления.

Рис. 6. Графики переходных процессов Рис. 7. Графики переходных процессов

Описанная методика предназначена для синтеза регуляторов в аналоговой форме, для их использования в цифровых системах достаточно обеспечить выполнение условий теоремы Шеннона-Котельникова.

Четвертая глава посвящена исследованию системы управления роботом в целом при его движении между опорными точками методом численного моделирования. Для этого разработана специальная программа эмуляции движения робота при объезде препятствий местности, позволяющая учитывать динамику и нелинейности робота, приводов, особенности и ошибки функционирования датчиков. Наибольшую сложность представляла имитация взаимодействия лазерного дальномера со сканирующим лучом и препятствий местности. Луч дальномера имитировался математическим лучом, исходящим из центра масс робота, а препятствия местности аппроксимировались отрезками прямых, которые проходят через точки с заданными координатами. При моделировании использовалась нелинейная математическая модель четырехколесного робота (1), которая дополнена нелинейными математическими моделями привода и моментов трения качения. Программа имеет дружественный интерфейс, позволяющий быстро и гибко изменять математические модели робота, датчиков, форму и количество препятствий местности. Некоторые результаты моделирования приведены на рис. 8 - 10, на которых нижняя кривая показывает отклонение траектории центра масс робота от программной.

При моделировании использовались следующие численные значения параметров моделей: робота - т = 100 кг; Ъ = 1 м; г = 0,15 м; п = 30; с = 0,067 В с/рад; Я = 0,1 Ом; Ь = 0,002 Гн, 8= 0,1; привода - Ь, = 0,5 рад/с; ¿>2= 0,1 рад; локатора - к= 1000, <ртх= 60 град; алгоритма ВПУ - У0 = 2 м/с, Утах =0,5 рад, Д,их = 0,25 рад/с, и, тах = 0,1.

Из результатов моделирования следует, что программная траектория соответствует всем предъявляемым требованиям. Отклонение траектории движения центра масс робота от программной траектории несущественно и не превышает 0,05 м.

Рис. 8. Результаты моделирования объезда одиночного прямоугольного препятствия

Рис. 9. Моделирование объезда последовательно расположенных препятствий

..[.....1.....

«0.0) 4 16 | -4 : 64 1 „Г- 72

Рис. 10. Моделирование проезда внутри группы препятствий В заключении приведены основные результаты работы.

В приложениях приведены блок-схемы алгоритмов работы ВПУ, свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, акты об использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложены стратегия управления движением мобильного робота по пересеченной местности и структура системы управления, позволяющие декомпозировать задачу, разделив ее на три относительно простых, последовательно выполняемых.

2. Введено понятие опорной траектории движения робота, предложены способ и алгоритм ее формирования по картографической информации об участке местности, по которому робот должен перемещаться.

3. Разработан алгоритм формирования программной траектории, обеспечивающий заданную точность объезда препятствий местности и проезда внутри группы препятствий.

4. Проведен анализ влияния на динамику системы ограничений на скорость и отклонения управляющих органов, предложена методика построения подобных систем управления. Методика построения позволяет максимизировать полосу пропускания линейной части системы или минимизировать отношение ограничения по скорости к ограничению по отклонению.

5. Для численного моделирования движения робота при объезде препятствий местности разработано специальное программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющее анализировать и учитывать особенности динамики робота и датчиков, определяющих его положение относительно препятствий местности и в стартовой системе координат. Численное моделирование подтвердило работоспособность предложенных методик и алгоритмов.

Основные публикации по теме диссертации Статьи в журналах, рекомендуемых ВАК

1. Лисицкий Д.Л. Выбор структуры системы автоматического управления траекторным движением мобильного робота / Д.Л. Лисицкий // Вестник Саратовского государственного технического университета.2009. № 3(34). С. 102-109.

2. Лисицкий Д.Л. Алгоритмы системы ориентации и навигации мобильных роботов /

B.Б. Никишин, B.C. Шорин, Д.Л. Лисицкий // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №4(50). С. 30-34.

3. Лисицкий Д.Л. Один подход к управлению мобильным роботом / A.A. Большаков, Д.Л. Лисицкий // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №4(50). С. 43-49.

4. Лисицкий Д.Л. Анализ и синтез САУ движущихся объектов с учетом нелинейностей привода управляющих органов / Д.Л. Лисицкий, Л.А. Лисицкий // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №4(50). С. 102-109.

5. Лисицкий Д.Л. Управление движением мобильного робота / A.A. Большаков, Д.Л. Лисицкий // Вестник Астраханского государственного университета, сер. «Управление, вычислительная техника и информатика». 2010. №1. С. 12-18.

6. Лисицкий Д.Л. Управление роботом при объезде препятствий / A.A. Большаков, Д.Л. Лисицкий, Д.Ю. Петров // Мехатроника. Автоматизация. Управление. 2011. № 9. С. 2630.

В других изданиях

7. Лисицкий Д.Л. Обработка информации в системах инерциальной навигации с использованием нейронных сетей / Д.Л. Лисицкий, A.B. Гуров // Проблемы управления, передачи и обработки информации (ATM, ТКИ-50): тр. Междунар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2009.

C. 124-127.

8. Лисицкий Д.Л. Имитация сканирующего лазерного дальномера при моделировании движения мобильного робота /Д.Л. Лисицкий // Математические методы в технике и технологиях: тр. ХХШ Междунар. науч. конф. Псков,2010. Т. 9. С. 123-125.

9. Лисицкий Д.Л. Гармоническая линеаризация сложных динамических нелинейных звеньев /Д.Л. Лисицкий // Математические методы в технике и технологиях: тр. ХХШ Междунар. науч. конф. Псков, 2010. Т. 9. С. 135-138.

10. Лисицкий Д.Л. Декомпозиция задачи управления движением мобильного робота по пересеченной местности / Д.Л. Лисицкий // Технические и программные средства управления, контроля и измерения: тр. Рос. конф. с междунар. участием. М.: ИПУ РАН, 2010. С. 182-183.

11. Лисицкий Д.Л. Построение алгоритмов функционирования системы ориентации и навигации транспортных роботов /В.Б. Никишин, B.C. Шорин, Д.Л. Лисицкий // Технические и программные средства управления, контроля и измерения: тр. Рос. конф. с междунар. участием. М.: ИПУ РАН, 2010. С. 183-184.

12. Лисицкий Д.Л. Разработка алгоритмического обеспечения системы управления движением мобильного робота / Д.Л. Лисицкий // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. конф. молодых ученых. Саратов: СГТУ, 2010. С. 54-57.

13. Лисицкий Д.Л. Определение оптимального маршрута движения мобильного робота / Д.Л. Лисицкий // Математические методы в технике и технологиях: тр. XXIV Междунар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2011. Т. б. С. 106-108.

14. Лисицкий Д.Л. Математическая модель четырехколесного мобильного робота / Д.Л. Лисицкий, Л.А. Лисицкий // Проблемы управления, обработки и передачи информации АТМ-2011: сб. тр. Междунар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2011. С. 310-314.

Свидетельства о государственной регистрации программ

15. Эмулятор движения мобильного робота при объезде препятствий местности. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011613601 от 10 мая 2011 г./Д.Л. Лисицкий.

16. Определение опорной траектории движения мобильного робота по пересеченной местности. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011614346 от 5 августа 2011 г. / Д.Л. Лисицкий.

ЛИСИЦКИЙ Денис Леонтьевич

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ АВТОНОМНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

Автореферат

Подписано в печать 23.11.2012 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 42

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

410031, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

Оглавлениеавтор диссертации — кандидата технических наук Лисицкий, Денис Леонтьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ.

1.1 Краткое описание конструктивных схем и математических модели мобильных роботов.

1.2 Характеристика датчиков систем управления мобильных роботов.

1.3 Анализ современных подходов создания систем управления мобильных роботов.

1.4 Постановка задачи исследования.

Выводы по разделу 1.

2 ВЫБОР СТРАТЕГИИ, СТРУКТУРЫ И СИНТЕЗ ОСНОВНЫХ АЛГОРИТМОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

2.1 Выбор стратегии управления.

2.2 Формирование опорной траектории.

2.3 Выбор структуры системы управления.

2.4 Предварительная обработка информации о препятствиях местности.

2.5 Синтез алгоритма формирования программной траектории.

Выводы по разделу.2.

3 АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТА С УЧЕТОМ ОГРАНИЧЕНИЙ, НАЛОЖЕННЫХ НА УПРАВЛЕНИЕ.

3.1 Особенности конструкции и структуры системы управления мобильного робота.

3.2 Гармоническая линеаризация нелинейной части системы.

3.3 Анализ и синтез систем управления движущихся объектов с учетом ограничений, наложенных на управления.

3.4 Синтеза регуляторов САУ мобильного робота с учетом ограничений, наложенных на управления.

Выводы по разделу 3.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА

МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1 Математическая модель взаимодействия местности и лазерных дальномеров.

4.2 Математическая модель робота, привода, регуляторов.

4.3 Структура программы эмуляции движения мобильного робота

4.4 Результаты моделирования.

Выводы по разделу 4.

Введение2012 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Лисицкий, Денис Леонтьевич

Актуальность темы диссертации. Современным перспективным направлением робототехники является создание мобильных роботов, автономно перемещающихся относительно длительное время по открытой пересеченной местности. Создание таких роботов позволит сравнительно дешево и без опасности для здоровья людей решать комплекс задач, связанных с защитой и охраной окружающей среды, разведкой местности в интересах различных организаций. Основные трудности при этом состоят в создании алгоритмического обеспечения, позволяющего автоматически управлять движением роботов, используя информацию о его положении относительно инерциальной системы координат и препятствий местности.

Указанные факторы обусловливают неослабевающий интерес к решению проблем синтеза алгоритмов работы систем автоматического управления автономным движением мобильных роботов. Различным аспектам этой проблемы посвящены работы отечественных (А.Р. Гайдука, H.A. Глебова, В.Н. Голубятникова, И.А. Каляева, С.Г. Капустяна, В.М. Лохина, C.B. Манько, М.Ю. Медведева, P.A. Нейдорфа, Ю.В. Подураева, В.Х. Пшихонова, Е.И. Юревича, A.C. Ющенко, П.К. Плотникова, В.Б. Никишина и др.) и зарубежных (A.B. Moutinho, Е. Hygounenc, P. Soueres, I. Jung, S. Lacroix, G.C. Avenant, C.H. Hong, K.C. Choi, В.S. Kim) ученых.

Однако при наличии большого числа публикаций, в которых используются как классические, так и современные подходы к синтезу алгоритмов обработки информации и управления, задача остается не решенной в полной мере. Это связано с излишней идеализированностыо ее постановки, не учитывающей принципиальную невозможность знания точной математической модели робота, из-за отсутствия учета возможностей и характеристик реальных датчиков и желания авторов решить плохо формализуемую проблему управления при наличии большого количества разнородной информации н основе одного, порой достаточно сложного алгоритма.

Таким образом, актуальность задачи создания алгоритмов работы системы управления мобильных роботов, с одной стороны, определяется востребованностью мобильных роботов, с другой - отсутствием работоспособных алгоритмов, позволяющих успешно управлять движением роботов по пересеченной местности.

Целью диссертационной работы является анализ и синтез алгоритмов обработки информации системой управления мобильного робота, расширяющих его возможности автономного перемещения по открытой пересеченной местности.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующего ряда задач диссертационного исследования:

• создать стратегию управления движением мобильного робота по пересеченной местности, выбрать структуру системы управления;

• синтезировать алгоритм формирования программной траектории объезда препятствий местности и проезда внутри группы препятствий;

• разработать методику построения регуляторов, обеспечивающих отслеживание роботом программной траектории с заданной точностью;

• разработать комплекс программ для проверки работоспособности предложенных алгоритмов методом математического моделирования.

Методы исследования основаны на использовании теорий управления, системного анализа, аналитической механики, нелинейных систем, наблюдения и фильтрации, интеллектуальных систем, теории матриц, на методах имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• на основе системного' анализа поставлена и формализована задача управлением движения мобильного робота по пересеченной местности, отличающаяся применением для решения метода декомпозиции, при этом исходная задача заменяется на несколько простых последовательно решаемых, что позволило предложить стратегия управления и структура системы управления;

• разработан алгоритм формирования программной траектории, отличающийся учетом информации системы технического зрения и динамических возможностей реального робота, что позволило обеспечить заданную точность объезда роботом препятствий местности и его перемещение внутри группы препятствий;

• разработана методика построения систем, отличающаяся учетом ограничений на скорость и отклонение органов управления объектов, базирующаяся на результатах анализа влияния на динамику и устойчивость систем этих ограничений, что позволило максимизировать полосу пропускания системы, или минимизировать отношение ограничения по скорости к ограничению по отклонению.

Практическая ценность работы состоит в том, что использование ее результатов позволяет:

- придать мобильным роботам новые функциональные возможности, существенно повысить сложность преодолеваемого рельефа и увеличить возможность успешного прохождения маршрута;

- обоснованно выбирать конфигурацию, комплектацию системы и основные технические характеристики ее блоков.

На защиту выносятся:

1. Стратегия управления движением мобильного робота по пересеченной местности и структура системы управления.

2. Алгоритм формирования программной траектории объезда препятствий.

3. Результаты анализа и методика и построения систем, на органы управления объектов которых наложены ограничения по скорости и отклонению.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены на Международной научной конференции «Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50), (Саратов, 2009 г.); ХХШ Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», (Псков 2010 г.); Российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения», (Москва, ИПУ РАН, 2010 г.); Всероссийской конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», (Саратов, 2010 г.); XIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», (Саратов, 2011 г.); Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации АТМ-2011», (Саратов, 2011 г.).

Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационное исследование выполнено в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013» по теме «Разработка распределенной вычислительной среды для создания систем управления жизненным циклом мобильных мехатронных комплексов» (ГК № 02.740.11.04 82, 2010-2011 г.г.); НИР «Разработка алгоритмического обеспечения системы управления мобильного робота» (ГК №8758р/13975 от 14.11.2011). Результаты исследований используются в ООО «Конструкторское бюро промышленной автоматики», (г. Саратов) и в Институте проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов), а также при подготовке специалистов в СГТУ им. Гагарина Ю.А. Работа поддержана грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе УМНИК.

Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации, выдвигаемые на защиту, получены автором лично.

Публикации. Основные положения диссертации достаточно полно изложены в 16 печатных работах из них 6 статей - в журналах из перечня ВАК, 2 - свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа включает введение, 4 раздела, заключение, список использованной литературы из 144 наименований и 3 приложения, рисунка - 72 и 1 таблицу. Основное содержание работы изложено на 147 страницах.

Заключениедиссертация на тему "Разработка алгоритмов управления движением автономных мобильных роботов"

Выводы по разделу 4

1. Разработана программа для ПЭВМ, позволяющая всесторонне исследовать объезд роботом препятствий местности под управлением синтезированной системы.

2. Численное моделирование движения робота подтвердило работоспособность и эффективность предложенных алгоритмов управления движении ем робота.

3. Моделирование показало, что программная траектория во всех случаях полностью соответствовала предъявляемым к ней требованиям, отклонение траектории движения робота от программной во всех случаях не превышало 0,047 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ основных конструктивных схем мобильных роботов, показано, что наиболее пригодной для движения по пересеченной местности является четырехколесная схема с передними управляющими колесами. На базе теории автомобиля предложена математическая модель четырехколесного робота.

2. Проведенный анализ необходимого информационного обеспечения позволил сформировать необходимый набор датчиков и выявить возможную точность определения положения робота в стартовой систем е координат и относительно препятствий местности.

3. Предложены стратегия управления движением мобильного робота по пересеченной местности и структура системы управления позволяющие произвести декомпозицию задачи, разделив ее на три относительно простых решаемых последовательно.

4. Введено понятие опорной траектории движения робота, предложены способ и алгоритм ее формирования по топографической информации, реализованный в виде программы для ЭВМ.

5. Синтезирован алгоритм формирования программной траектории, обеспечивающий заданную точность объезда препятствий местности и позволяющий роботу проезжать внутри группы препятствий.

6. С использованием метода гармонической линеаризации проведен аналз влияния на устойчивость систем ограничений по скорости и величине отклонения, наложенных на орган управления объекта. Выявлен ряд важных свойств таких систем, главным из которых является ограничение полосы пропускания, определяемое отношением ограничений.

7. Разработана методика синтеза систем управления, на органы управления объектов которых наложены ограничения по скорости и отклонению. Она позволяет или максимизировать полосу пропускания линейной части системы, или минимизировать отношение ограничения по скорости к ограничению по отклонению. Эффективность методики подтверждена численным моделированием.

8. Для численного моделирования движения робота при объезде препятствий местности разработана специальная программа для ПЭВМ, позволяющая учитывать особенности динамики робота и датчиков, определяющих его положение относительно препятствий местности и в стартовой системе координат. Программа позволяет имитировать препятствия различной формы и группы произвольно расположенных препятствий.

9. Численное моделирование движения робота при объезде одиночных препятствий различной формы и групп препятствий подтвердило работоспособность и эффективность всех разработанных методик и алгоритмов. Робот уверенно объезжал как одиночные препятствия, так проезжал внутри достаточно хаотично расположенных групп препятствия. При этом максимальное отклонение реальной траектории движения от оптимальной не превышала 0,05 м.

БиблиографияЛисицкий, Денис Леонтьевич, диссертация по теме Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

1. Алексеев В.M., Тихомиров В.М., Фомин C.B. Оптимальное управление. М.: Наука. Гл. ред. физ.мат.лит. 1979. - 432 с.

2. Алексеев К.Б., Малявин A.A. Палагута A.A. Сравнительный анализ предикаторного и нечеткого управления автомобиля // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 5. С. 18-23.

3. Аржашш A.B. Вашемков O.E. Мобильный робототехнический комплекс «Невская стрела» // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. № 2. С. 23 27.

4. Баранов Д.М., Ермолов И.Л., Плешаков Р.В., Подураев II.В. повышение автономности мобильного робота «Вездеход-ТМЗ» на основе бортовой системы навигации // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. № 5. С. 49 55.

5. Баранов Д.Н. Разработка интеллектуальной системы управления мобильным роботом на основе следящей системы технического зрения и нечеткой логики / Автореф. канд. дисс. Москва. Станкин. 2008.

6. Бартенев В.В., Яцун С.Ф. Применено алгоритмов нечеткой логики в автоматических системах управлении // Сб. трудов межд. конф. «Вибрационные машины и технологии». -Курск: КурскГТУ, 2008. С. 812-820.

7. Битанов А.Ф., Грицын С.И., Муракин C.B. Робототехнические комплексы для обеспечения специальных операций // Специальная техника. 1999, № 6. С. 23 34.

8. Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов / М.П. Бобнев. М.: Энергия, 1971.248 с.

9. Борисов A.B., Мамаев И.С., Килин A.A. Динамика катящегося диска // Борисов A.B., Мамаев И.С. Неголономные механические системы. Интегрируемость, хаос, странные аттракторы М.; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002.

10. Боронахин A.M. Разработка принципов построения и исследование комплекса для неконтактного измерения геометрических параметров рельсового пути. Санкт-Петербург. Гос. электротехнич. ун-т // http://link.edu.ioffe.ru/ismu02/boronali/

11. Браммер К., ЗифлингГ. Фильтр Калмана-Быоси. Пер. с нем. М.: Паука, 1982. 356 с.

12. Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации. М.: Наука, 1979. 420 с.

13. Буданов В.М., Девянин Е.А. О движении колесных роботов // ПММ. -2003. -Т. 67. вып. 2.-С. 244-255.

14. Буданов В.М., Девянин Е.А. Особенности движения колесных роботов -неголономных механических систем // Докл. Иауч. школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», 7-8 декабря 1999 г. М. Институт механики МГУ, 1999 -С. 147- 164.

15. Бурдаков С.Ф., Юдин И.В. Управление движением мобильного робота по качественной информации о координатах цели // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. № 9. С. 35 40.

16. Васильев A.B., Полин A.B. Мобильный робот разведчик на базе шестигусеничного движителя с изменяемой геометрией // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 3. С. 27-35.

17. Володин Ю.С. Метод кодирования телевизионной подсветки для телевизионной системы объемного зрения мобильного робота // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. №11.

18. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления / A.A. Воронов. М.: Энергия, 1980. 309 с.

19. Гаврилов A.B., Губарев В.В., Джо К. -X., Ли X. -X. Гибридная система управления мобильным роботом // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. № 7. С. 30 37.

20. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / М.: Радио и связь. 1986. 511 с.

21. Горбачев АЛО. Применение одометров для коррекции интегрированных навигационных систем // АЛО. Горбачев. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». 2009. № 4 (77). С. 37-52.

22. Горенштейн И.А., Шульман И.А. Инерциальные навигационные системы. М.: Машиностроение, 1970. -231 с.

23. Гуров А.Б., Михайлов Б.Б. Система зрения для прокладки траектории мобильного робота и мониторинга рабочей зоны // Тр. 19-й Научно-техн. конф. «Экстремальная робототехника». СПб.: Изд-во НПО специальных материалов, 2008. Т. 5. С. 394 398.

24. Гусев Д.М., Мартынснко Ю.Г. Об использовании волоконно-оптического гироскопа в задачах навигации мобильных роботов // Мобильные роботы и мехатронные системы. -М., Изд во Моск. ун-та, 2002. С.30-35.

25. Девянин Е.А. О движении колесных роботов // Докл. Науч. школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», 7-8 декабря 1999 г. М. Институг механики МГУ, 1999-С. 169-200.

26. Девятисильный A.C., Дороженко Н.М. Управлениеп безопасным движением автомобиля в транспортном потоке // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 5. С. 26 32.

27. Джинглава В.И., Герасимов Г.И., Сазонрова Т.В. Вопросы разработки и стандартизации форматов векторных карт для летательных аппаратов// Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 3. С. 15-21.

28. Динамика системы дорога-шина-автомобиль-водитель / Под ред. A.A. Хачатурова. М.: Машиностроение. 1976. 535 с.

29. Евсеев A.A., Носков В.II., Платонов A.A. Формирование электронной карты при автономном движении в индустриальной среде // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. № 2. С. 41 48.

30. Зенкевич C.JL, Космачев П.В. Управление движением мобильного робота в неподвижную точку// Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 3. С. 21 -28.

31. Интеллектуальные роботы / под ред. Е.И. Юревича. М.: Машиностроение, 2007. 360 с.

32. Ишлинский A.IO. Механика гироскопических систем. М.: Изд-во АН СССР, 1963, 483 с. с.430-449., [с.450-474].

33. Каленова В.И., Морозов В.М., Салмина М.А. Устойчивость и стабилизация установившихся механических систем одного класса // Мобильные роботы и мехатронные системы. М., Изд во Моск. ун-та, 2004. - С. 119 - 134.

34. Каляев И.А. Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов / И.А. Каляев, А.Р. Гайдук, С.Г. Капустяп. / М.: Физматлит. 2009, 280 с.

35. Каляев И.А., Капустян С.Г. Проблемы группового управления роботами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 5. С. 4 14.

36. Клевашин В.А., Поливанов А.Ю. Системы технического зрения в промышленной робототехнике // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 9. С. 14 20.

37. Кожевников В.А. Системы автоматического управления полетом вертолета. М.: Машиностроение, 1974. 196 с.

38. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение. 1976. 184 с.

39. Кузовков Н.Т. Системы стабилизации летательных аппаратов / Н.Т. Кузовков. М.: Высшая школа, 1976. 302 с.

40. Кузовков Н.Т., Карабанов C.B., Салычев О.С. Непрерывные и дискретные системы управления и методы идентификации.- М.: Машиностроение, 1978. 451 с.

41. Ларин В.В. Теория движения полноприводных автомобилей /В.В. Ларин,- М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 391 с.

42. Лебедев Р.Н., Нарзаян Л.А., Едимов A.B. Нейросетевое планирование управления действиями летательных аппарат ов при наблюдении заданной группы подвижных наземных объектов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 11. С. 16-25.

43. Левитин A.B. Алгоритмы: введение в разработку и анализ / М.: «Вильяме», 2006. 560 с.

44. Лексин A.B. Интегрированные навигационные системы в автотранспорте // Автотранспортное предприятие. 2005. - № 4.

45. Лернер А.Я, Розснман Е.А. Оптимальное управление. М.: Энергия, 1970 г., 360 С.

46. Лисицкий Д.Л. Алгоритмы системы ориентации и навигации мобильных роботов / В.Б. Никишин, B.C. Шорин, Д.Л. Лисицкий // Вестник Саратовского государственного технического университета. Саратов, 2010. Вып. 4(50). С 30-34.

47. Лисицкий Д.Л. Анализ и синтез САУ движущихся объектов с учетом нелинейностей привода управляющих органов / Д.Л. Лисицкий, Л.А. Лисицкий // Вестник Саратовского государственного технического университета. Саратов, 2010. Вып. 4(50). С. 102-109.

48. Лисицкий Д.Л. Выбор структуры системы автоматического управления траекторным движением мобильного робота / Д.Л. Лисицкий // Вестник Саратовского государственного технического университета. Саратов, 2009. Вып. 3(34). С. 102-109.

49. Лисицкий Д.Л. Гармоническая линеаризация сложных динамических нелинейных звеньев /Д.Л. Лиси цкий // Труды XXLU международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Т. 9, Саратов, С. 135-138.

50. Лисицкий Д.Л. Имитация сканирующего лазерного дальномера при моделировании движения мобильного робота /Д.Л. Лисицкий // Труды ХХШ международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Т. 9,1. Саратов, С. 123-125.

51. Лисицкий Д.Л. Математическая модель четырехколесного мобильного робота / Д.Л. Лисицкий, Л.А. Лисицкий // Сборник трудов международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации АТМ-2011». Саратов. СГТУ, 2011. С 310-314.

52. Лисицкий Д.Л. Один подход к управлению мобильным роботом / БольшаковА.А., Д.Л. Лисицкий // Вестник Саратовского государственного технического университета. Саратов, 2010. Вып. 4(50). С. 43-49.

53. Лисицкий Д.Л. Определение оптимального маршрута движения мобильного робота / Д.Л. Лисицкий // Труды XXIV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Т. б, Саратов, СГТУ, 2011. С. 106-108.

54. Лисицкий Д.Л. Управление движение мобильного робота / A.A. Большаков, Д.Л. Лисицкий // Вестник Астраханского государственного университета, сер. «Управление, вычислительная техника и информатика» Вып. №1, 2010. С. 12-18.

55. Лисицкий Д.Л. Управление роботом при объезде препятствий / A.A. Большаков, Д.Л. Лисицкий, Д.Ю. Петров // Журнал «Мехатроника. Автоматизация. Управление». М., 2011. № 9. С. 26-30.

56. Литвинов A.C. Управляемость и устойчивость автомобиля. М.: Машиностроение, 1971.320 с.

57. Лямин A.B. Анализ математических моделей колесных роботов и синтез алгоритмов контурного управления / Автореф. канд. дисс. С.Петербург, 1997.

58. Мартыненко Ю.Г, Кобрин А.И., Ленский A.B. Декомпозиция задачи управления мобильным одноколесным роботом с невозмущаемой гиростабилизированной платформой // Докл. РАН. 2002. - Т. 368, № 6. С. 757 -769.

59. Мартыненко Ю.Г. Алгоритмы управления мобильным роботом при движении по маякам //Докл. Международной конф. «Информационные средства и технологии», 20-22 октября 1998 г., Москва. Т. 2. С. 75 - 80.

60. Мартыненко Ю.Г. Аналитическая динамика электромеханических систем. Изд-во МЭИ, 1985.

61. Мартыненко Ю.Г. Управление движением мобильных колесных роботов // Фундаментальная и прикладная математика, 2005, Т. 11, № 8, С. 29 -80.

62. Мартыненко Ю.Г., Орлов В.И. Влияние переходных процессов в электроприводе на устойчивость движения колесного мобильного робота // Мобильные роботы и мехатронные системы. М., Изд во Моск. ун-та, 2004. - С. 135 - 149.

63. Метод гармонической линеаризации в проектировании нелинейных систем автоматического управления. Под ред. Ю.И. Топчеева. М.: Машиностроение, 1970.567 с.

64. Молибошко A.A. Компьютерное моделирование автомобиля. Минск. «ИВЦ Минфина», 2007, 280 с.

65. Морозов В.М., Каленова В.И., Шепелева E.H. Устойчивость и стабилизация движения одноколесного велосипеда // Изв. РАН. МТТ. 2001. - № 4. - С. 49 - 58.

66. Никишин В.Б. Использование априорной информации о траектории движения объекта для коррекции бортовой системы ориентации и навигации /Труды Академии военных наук, Саратов -2000. С.41-50

67. Носков В.П., Рубцов И.В. Опыт решения задачи автономного управления движением мобильного робота//Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. № 12. С. 21 24.

68. Овчинников A.M., Ролдугин Д.СМ., Овчинников М.Ю. Аппаратно-программный комплекс обработки спектральной информации // Датчики и системы. 2009. № 6. С. 41-46.

69. Определение опорной траектории движения мобильного робота по пересеченной местности. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011614346 от 5 августа 2011 г. / Д.Л. Лисицкий.

70. Павловский В.Е. Задачи динамики и управления мобильными роботами. http://posp.raai.org/data/posp2005/SIR/Pavlovsky/pavlovsky.html.

71. Павловский В.Е., Евграфов В.В., Павловский В.В. Планирование и реализация гладких движений мобильного робота с дифференциальным приводом.// Тр. 9 Междунар. Конф. "Stability, Control, and Rigid Bodies Dynamics", ICSCD-2005, c.54-55.

72. Павловский B.E., Евграфов В.В., Павловский B.B. Синтез и исполнение гладких движений мобильного колесного робота с дифференциальным приводом // Информационно- измерительные и управляющие системы. М.: Изд-во "Радиотехника", №1-3, т. 4. 2005-2006.

73. Парамонов П.П., Сабо Ю.И. Интегрированная навигационная система для малоразмерного летательного аппарата // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 10. С. 18-23.

74. Паркинсон, Б. Системы глобального позиционирования / Б. Раркинсон. М.: Вильяме, 2007. 238 с.

75. Планетоходы / под. ред. A.J1. Кемурджиана. М.: Машиностроение, 1982. 319 с.

76. Плотников П.К. Элементы теории работы одной разновидности бесплатформенных инерционных систем ориентации // Гироскопия и навигация. №3, 1999. С/ 23-35.

77. Половко С.А., Смирнов К.Ю., Степанов Д.П. Интеллектуальная система технического зрения для безопасности навигации // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009.3. С. 8 14.

78. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1979.

79. Применение ЭВМ при расчете и конструировании и автомобиля. Под ред Гриневич А.И., Минск, «Высшая школа», 1978, 268 с.

80. Притыкин Ф.И. Геометрически обоснованные принципы построения адаптивной системы управления мобильного робота, функционирующего в сложно организованных средах // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. № 4. С. 2 8. 1.58

81. Пшеничный Б.Н., Данилин 10.М. Численные методы в экстремальных задачах. М.: Паука, 1975 г., 319 С.

82. Рабинович JI.B. и др. Проектирование следящих систем. М.: Машиностроение, 1969.500 с.

83. Рабинович JT.B. Устойчивость и автоколебания нелинейных следящих приводов. М.: МАИ, 1977.160 с.

84. Разумовский А.И., Ромакин В.А. Построение м анализ ЗО-модели рельефа местности с использованием программного комплекса «Relief Studio» // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 7. С. 6 15.

85. Распопов, В.Я. Микромеханические приборы: учеб. / В.Я. Распопов. Тула, 2004. - 475 с.

86. Рачков М.Ю. Мультисенсорный робот для гуманитарного разминирования // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. № 7. С. 18 29.

87. Ривкин С.С., Тюменева Г.В. Использование фильтра Калмана в схеме коррекции гировертикали. Изв. АН СССР МТТ, 1974, №2., с. 30-35.

88. Сейдж Э.П., Меле Дж.Л. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении: Пер. с англ. М.: Связь, 1976.

89. Селезнев В.П. Навигационные устройства. М.: Машиностроение, 1974. - 600 с.

90. Смирнов, Г.А. Теория движения колесных машин / Г.А. Смирнов. М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.

91. Соколов Н.И. Некоторые вопросы построения параметрически инвариантных САУ. // Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика». Информационные материалы. № 7 (44). М.: ВИНИТИ, 1970.

92. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Машиностроение 2000, 368 с.

93. Тарасик В.П. Теория движения автомобиля. С. Петербург. «ВХВ-Петербург» 2006, 478 с.

94. Тищенко A.C., Михаилов Б.Б. Навигация мобильного робота на основе бортовой системы технического зрения // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009.12. С. 10-23.

95. Томас X. Кормен, Чарльз И. Лейзерсон, Рональд Л. Ривест, Клиффорд Штайн Алгоритмы: построение и анализ = Introduction to Algorithms. — 2-е изд. — М.: «Вильяме», 2006. 1296 с.

96. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического управления /. Ю.И. Топчеев. М.: Машиностроение, 1989. 751 с.

97. Форматы представления электронных карт. Основы GPS навигации. URL: http://\v\v\v.microsystern.ru/article/?id=272

98. Хофман-Велленхоф, В. Практика GPS / В. Хофман-Велленхоф. -М.: Вильяме, 2006.- 156 с.

99. Электр, ресурс. http://www. Honeywell com

100. Электр, ресурс, http://avtolektron.ru/novoste/avtomobil-s-avtopilotom

101. Электр, ресурс. http://ru.wikipedia.org/wiki/BigDog

102. Электр, ресурс. http://ru.wikipedia.org/wiki/IRobot

103. Электр, ресурс, http://systemsauto.ru/another/automaticdriving.html

104. Электр, ресурс, http://wwvv.3dncws.ru/news/620832

105. Электр, ресурс. http://www.agricuUureguide.org/autonomous-small-robots-and-robot-swarms-in-agriculture/robotfarmers/

106. Электр, ресурс. http://www.amazonevoronezh.ru/new/polevojrobotbonirobzakladjvaetosnovjselskohozyajstvcnnoj.html

107. Электр, ресурс, http://www.analog.com/static/imported-fíles/selectiontables/MEMSInertialScnsorsSelectionTables.pdf

108. Электр, ресурс. http://wmv.clubolbologna.org/ew/documents/KNRMoeller.pdf

109. Электр, ресурс, http://www.cnde.edu/staff/swormley/gps/gpsaccuracy.html.

110. Электр, ресурс. http://www.dematic.com/com/Produkte/Lagertechnik/Dematic-Multishuttle/Dematic-Multishuttle-Move/page49886.htm 1.101

111. Электр, ресурс, http://www.engadgct.com/2009/10/29/fuji-heavy-industries-outs-friendless-autonomous-farming-robot/.

112. Электр, ресурс, http://www.fizoptica.com

113. Электр, ресурс. hUp://\vww.gizmag.com/toyota-autonomous-prius-hybrid-tokyo-motor-show/20554/

114. Электр, ресурс, http://www.infox.ru/hi-tech/tech/201 l/12/26/Prosperopyervyy.phtml

115. Электр, ресурс, http://www.kivasystems.com 1.100

116. Электр, ресурс. http://www.melexis.com/Inertia-Sensors/Inertia-Sensors/Angular-Rate-Sensor-582.aspx

117. Электр, ресурс, http://www.optolink.com

118. Электр, ресурс. http://www.rlocman.ru/news/new.html?di:=l 12114

119. Электр, ресурс, http://www.sensorica.com

120. Электр, ресурс, http://www.siliconsensing.com/gyros

121. Электр, ресурс. http://www.used-robots.com/articles.php?tag=1790

122. Электр, ресурс, http://www.vti.fi/en/products/accelerometers/sca31 OO-accelerometers

123. Электр, ресурс, http://www.vti.fi/en/products/gyroscopes/scrl 1 OO-gyroscopes

124. Электр, ресурс. Электронный ресурс www,siliconsensing.com

125. Электронный ресурс analog.com

126. Электронный ресурс optolink.com

127. Эмулятор движения мобильного робота при объезде препятствий местности. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011613601 от 10 мая 2011 г. / Д.Л. Лисицкий.

128. Юревич Е.И. Основы робототехники. СПб.: БХВ-Петербург. 2005.

129. Ющенко А.С. Маршрутизация движения мобильного робота в условиях неопределенности // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. № 1. С. 31 38.

130. Яшунский В.Д. Разработка и исследование алгоритмов обработки изображений для систем технического зрения на основе фокусировки // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 9. С. 31 37.

131. Dijkstra Е. W. A note on two problems in connexion with graphs. // Numerische Mathematik. V. 1 (1959), P. 269-271

132. Dijkstra E. W. A note on two problems in connexion with graphs. // Numerische Mathematik. V. 1 (1959), P. 269-271.

133. P.K.Plotnikov, V.B.Nikishin, A.A.Skripkin. -s.194-199.

134. Operating instructions Laser Measurement of LFS500 Product Family // https//www.mysick.com/Saqqara/pdf.aspx?id=im0037514. 1.51? 5/2

135. Plotnikov P.K., Nikishin V.B. Integrated geoinertial system of orientation and navigation of vehicle. Second Turkish-German Joint Geodetic Days May 28-29-30, 1997, Berlin. S.559-567.

136. Копия свидетельства о государственной регистрации программы «Определение опорной траектории движения мобильного робота попересеченной местности»- £ Г: Г* К! 231. ЛТ'. Д ,4 , 11. А и1. Д 1. ; | -О ,1. ЧПЛ

Автореферат диссертациипо теме "Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов"

На правах рукописи

РУСАК Алена Викторовна

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ II ОРИЕНТАЦИИ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

Специальность 05 13 01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□03059480

Санкт-Петербург - 2007

003059480

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО)

Научный руководитель к т н , доцент Лямин А В

Официальные оппоненты д т н , профессор Шароватов В Т

к т н , доцент Мельников В Г

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП)

Защита состоится 29 мая 2007 года в 1550 часов на заседании диссертационного совета Д 212 227 03 в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр , д 49, СПбГУ ИТМО

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Автореферат разослан 28 апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Лямин А В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Предметом исследований диссертационной работы является задача управления автономными мобильными колесными роботами (KP) в условиях неопределенности задания желаемой траектории движения

В настоящее время область применения KP чрезвычайно разнообразна и включает такие важные сферы человеческой деятельности как автоматизированное производство, строительство, космос, оборона, медицина, сельское хозяйство и т д Неголономность моделей роботов, увеличение спектра решаемых задач, их усложнение, приводящее к усложнению кинематики и сенсорики роботов, порождает сложности синтеза регуляторов Наличие неголономных связей препятствует использованию стандартных алгоритмов планирования и управления, разработанных, например, для манипуляционных роботов Задача стабилизации для таких систем является нетривиальной неголономные системы не могут быть стабилизированы относительно положения равновесия стационарной обратной связью по состоянию Однако оказывается возможным использование стационарной обратной связи при решении задачи движения, т к она формулируется только по части переменных, описывающих положение робота

При решении задачи управления движением KP вдоль заданной траектории можно выделить два основных подхода программный и траекторный (контурный) Программное управление движением робота основывается на классических принципах построения следящих систем (см работы Ю Г Мартыненко) Данный метод предполагает включение в систему управления специального задающего устройства (интерполятора), которое генерирует параметризованную временем желаемую траекторию Точностные требования, предъявляемые к интерполяторам, необходимость перестройки программы эталонного движения при изменении характера движения KP определяют основные недостатки данного подхода и ограничивают возможности применения следящих систем управления Метод траекторного управления (см работы А В Тимофеева, И В Мирошника, А В Лямина, G Bastin, G Campion, С Canudas de Wit, A Isidon и др) предполагает использование текущих значений отклонений от заранее заданной траектории и исключает необходимость привлечения генераторов эталонной модели Желаемая траектория движения представляется отрезками гладкой кривой, заданной в неявной форме Задача контурного управления заключается в стабилизации робота относительно заданной траектории и поддержании требуемой скорости перемещения вдоль нее, т е задача сводится к частичной стабилизации многоканальной нелинейной системы

В ряде практических случаев возникают задачи, в которых отсутствует или минимальна априорная информация о существенных для выполнения задачи характеристиках и параметрах окружающей среды, может отсутствовать явное задание траектории движения KP, например, желаемая траектория может быть задана последовательностью операций или реперными точками При таких условиях становится проблематичным использование традиционных методов

управления, возникает необходимость разработки новых, более совершенных алгоритмов управления движением с использованием принципов адаптации и самообучения Одним из возможных подходов к решению таких нетривиальных транспортных задач является использование нечетких систем (см работы С Ф Бурдакова, Р Э Стельмакова, Д А Поспелова, А С Ющенко, R М Tong, S К Tso, Y М Fung) и искусственных нейронных сетей (см работы С Хайкина, С Осовского, К Роберта, В В Круглова, В И Комашинского) При проектировании нечеткого контроллера должны быть заданы лингвистические правила и функции принадлежности для представления лингвистических величин Однако перевод информации в нечеткие множества не является формализованной задачей, спецификация хороших лингвистических правил зависит от знания экспертом системы управления, следовательно, качество нечеткого контроллера напрямую зависит от правильного выбора функции принадлежности, от уровня знания экспертом системы управления Использование нейронной сети позволяет решить данную проблему, т к после соответствующего обучения ее можно использовать для оптимизации параметров функции принадлежности или для извлечения правил из данных Основными достоинствами нейронных сетей являются возможность параллельной обработки информации, устойчивость к ошибкам и способность к обобщению накопленных знаний Однако при использовании нейронных сетей в условиях отсутствия априорной информации о параметрах окружающей среды или желаемой траектории возникают трудности с подбором обучающей выборки и, следовательно, с настройкой сети Кроме того, настройка нейронной сети может потребовать значительных вычислительных и временных ресурсов

Альтернативным методом решения нетривиальных транспортных задач может служить ситуационный подход Данный метод основан на обнаружении ситуаций из заранее определенного множества и принятия управленческих решений, ассоциированных с ситуациями Для описания переходов ситуаций используются событийные модели различных видов, в частности, конечные автоматы (см работы А А Шалыто) Конечные автоматы в настоящее время все шире применяются в различных областях программирования Их основными достоинствами являются простота и наглядность Однако, по мнению автора, пока недостаточно разработан вопрос применения событийных моделей, в том числе и конечных автоматов, для управления движением мобильных роботов Таким образом, задача разработки ситуационного подхода для управления движением мобильных роботов в условиях постоянного расширения области их применения и возрастания сложности выполняемых задач является актуальной как с теоретической, так и с практической точки зрения

Настоящая работа посвящена развитию конечно автоматного подхода для разработки алгоритмов управления и ориентации мобильного робота при отсутствии аналитического описания желаемой траектории

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи

- построения и анализа математических моделей мобильного колесного робота в задачно-ориентированных координатах, исследования их структурных свойств,

- анализа оптических схем системы технического зрения мобильного робота,

- разработки структуры системы управления и ориентации мобильного робота,

- синтеза и исследования алгоритмов ориентации робота в рабочем пространстве,

- синтеза и исследования алгоритмов управления движением мобильного робота,

- синтеза и исследования алгоритма корректировки траектории движения робота

Методы исследования. Для получения теоретических результатов использовались методы дифференциальной геометрической теории нелинейных систем, теории конечных автоматов, нечетких систем и нейросетевые технологии Для программной реализации конечных автоматов, для обучения нечеткой нейронной сети и экспериментальных исследований полученных результатов был разработан пакет программ с использованием программной среды МаОаЬ

Научная новизна работы:

- разработана иерархическая структура системы управления движением мобильного робота, которая позволяет решать нетривиальные задачи управления в условиях неопределенности в задании траектории движения,

- разработаны алгоритмы ориентации мобильного робота, функционирующего в среде программируемыми световыми маяками, предложена их реализация с использованием конечно автоматного подхода,

- предложен метод синтеза нечеткого нейросетевого алгоритма корректировки траектории движения робота с целью предотвращения столкновения с маяком,

- предложены алгоритмы управления движением двухприводного мобильного робота при отсутствии явнозаданной траектории движения

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для построения систем управления автономными мобильными роботами, функционирующими в условиях неопределенности в задании траектории движения

Практическая значимость представленных алгоритмов управления подтверждается дипломами, полученными на соревнованиях мобильных роботов, проводимых в Москве в Институте механики МГУ им Ломоносова

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре компьютерных образовательных технологий Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики в рамках темы «Центр коллективного пользования «Мехатронные и мобильные комплексы»

(проект № 226) по направлению «Поддержка интеграции науки и высшей школы», поддержана персональными грантами № М04-3 11К-327 «Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных робототехнических комплексов», № М05-3 11К-314 «Синтез алгоритмов управления движением двухприводного мобильного робота на основе нечеткой логики» и №М06-3 11 К-173 «Синтез нечетких алгоритмов управления мобильным роботом» для студентов и аспирантов Конкурсного центра фундаментального естествознания Минобразования РФ Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на I, II, III межвузовских конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО (2004 - 2006 гг), а также на 11-й Международной студенческой олимпиаде по автоматическому управлению ВОАС'2006 (Санкт-Петербург, 2006 г)

Публикации работы. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе, 3 журнальные статьи, 4 статьи в сборниках трудов научных конференций

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 95 наименований, и приложения Основная часть работы изложена на страницах

машинописного текста

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и задачи исследования, показана научная новизна, практическая значимость и формы апробации работы

В первой главе проведен анализ кинематических характеристик различных колесных модулей мобильных роботов, представлена классификация неголономных систем, а также кинематическая, динамическая и электромеханическая модели КР при отсутствии проскальзывания колес

Мобильный робот рассматривается как самоходная колесная машина с автоматическим управлением Моделирование и исследование колесного робота осуществляется при следующих модельных предположениях

Допущение 1 Кинематическая схема робота является невырожденной, платформа и колеса являются абсолютно твердыми, колеса находятся в точечном контакте с поверхностью, робот движется без проскальзывания колес

Конструкции применяемых на практике колесных модулей можно подразделить на неподвижные (фиксированные), поворотные симметричные и поворотные асимметричные В результате анализа кинематических характеристик колесных модулей получены условия отсутствия продольного и поперечного скольжения, которые в общем случае представимы в виде

^(<7)9 = °' (1)

где <7 = со1(>>,а,0,Ро ,РС) - вектор обобщенных координат робота Линейно независимые строки матрицы •/,(<?) определяют базис кораспределения на и, -

мерном конфигурационном многообразии Мя Тогда существует матрица Сц, удовлетворяющая соотношению

•/,(9)0,(9) = 0, (2)

л, - гапкСД?) = гапк/Дсу)

Столбцы Оц образуют базис распределения на подмножестве К, конфигурационного многообразия Мч, следовательно существует такая вектор-функция у = со/(У,у2), что

? = = с=М (3)

Уравнение (3) является кинематической моделью мобильного робота Кинематическая модель движения платформы определяется соотношением

х = У,аМх, (4)

где х = со1(у, а, (3) - (3 + Л^-вектор координат

Уравнение (4) наиболее часто используется для построения законов управления в задачах слежения, стабилизации, а также при решении задач контурного управления и планирования желаемой траектории движения робота В этом случае переменные V рассматриваются как переменные управления

Вывод динамической модели мобильного робота осуществляется на основе метода неопределенных множителей Лагранжа В этом случае динамическая модель мобильного робота в локальных координатах д представляется в виде

<1 дЬ дЬ . „

——- —= / + Яц, (5)

Л дд

где Ь(д,д) = ~ дтА(д)д- лагранжиан системы, А(д) - (пчхпч) симметрическая

ограниченная положительно определенная матрица, f = - и9-вектор сил

реакций, матрица J(q) содержит линейно независимые строки матрицы ¿ч{д), -

Г о ~

вектор неопределенных множителей, В =

- постоянная матрица, ц =

со1(рв, \±а, цс) - вектор моментов ц» - Л^-вектор моментов, приложенных к горизонтальным осям колес, ц0 - Л^-вектор моментов, приложенных к вертикальным осям поворотных асимметричных колесных модулей, ]л.с - Дивектор моментов, приложенных к вертикальным осям поворотных симметричных колесных модулей

Динамическая модель мобильного робота описывается уравнениями (3), (6) А, (д)у + С, (9, V) + Я, (д) = С] (д)Вц, (6)

где АМ) = 0]{д)А(д)Сп(.д), С1(д,у) = С^д)С'(д,у), Я,(?) = 0]{д)Н{Ч\ С{д,д)-вектор кориолисовых и центробежных сил, Н(д) - вектор гравитационных сил

За счет преобразования моментов динамическая модель мобильного робота может быть приведена к виду (3), (7), в котором она представляет собой динамическое расширение кинематической модели (3)

v = M, (7)

где и - (/:п+ЛУ-мерный вектор переменных управления, кп - индекс подвижности

Динамическая модель движения платформы описывается уравнениями (8), (9)

* = Ga(x)V, (8)

v = «, (9)

где (х, v) - (3+2//с+/сп)-вектор состояния Данная система является динамическим расширением системы, описывающей кинематическую модель движения платформы

Математическая модель колесного робота с учетом динамики электропривода имеет вид

z = Gg(g)v, (10)

"^W-W-i-z dt\dz) {dzj {dz

(11)

= 0,

где 2 = со1(#,е) - вектор обобщенных координат электромеханической системы, 2 = со\{<2,и) - вектор обобщенных сил электромеханической системы, е = со1(е,,е2, ,ет) - вектор зарядов, 0,- вектор неконсервативных обобщенных сил механической природы, и = со1(ыь щ, , ит) - вектор сторонних ЭДС, диссипативная функция электромеханической системы равна сумме электрической и механической диссипативных функций

функция Лагранжа электромеханической системы принимает вид

Т(д,д) - кинетическая энергия системы, £/(<?) - потенциальная энергия системы, Шт - энергия магнитного поля, ¡¥е - энергия электрического поля

Вторая глава диссертации посвящена исследованию свойств математических моделей мобильных роботов, связанных с принципиальной возможностью и особенностью реализации в них алгоритмов управления К таким свойствам относятся, прежде всего, достижимость, управляемость и стабилизируемость

Рассматривается система, заданная парой (/, 23), где / £ ТМ - гладкое векторное поле на «-мерном гладком многообразии М, Ос: ТМ - гладкое распределение на М, сЬт/) = пг При данных условиях существуют такие гладкие векторные поля (х), ,£„,(*) > что = Брал {£,(*), ,£,„(*)} Система (/, П) определяет векторное поле на многообразии М и ее траекториями является решение дифференциального уравнения

ш

* = /(*) + ]£&(*>„ У = со1(У„ .Ое^сД", (12)

где х = со1(х,, ,хп) - локальные координаты гладкого многообразия М, /> 8} М> . 8п, (х)' гладкие векторные поля на М, у е и - /и-функция времени

Основным результатом проведенного во второй главе исследования является установление того факта, что математические модели

рассматриваемых колесных роботов описываются дифференциально плоскими системами В этом случае поведение всей системы в целом можно предписать, наложив условия только на дифференциально плоские выходы, т е выходы по отношению к которым система не имеет нулевой динамики Количество дифференциально плоских выходов соответствует числу степеней маневренности км В качестве этих выходов можно выбрать для рассматриваемых моделей роботов координаты у центра подвижной платформы при кы = 2 или координаты у и угол а ориентации платформы при кК = 3

Одним из основных признаков существования у системы дифференциально плоских выходов является возможность преобразования системы к многогенераторной цепной формы Цепная форма представления неголономных систем управления упрощает решение таких задач, как построение программных траекторий и стабилизирующих законов обратных связей

При синтезе алгоритмов управления особый интерес представляет приведение модели робота к канонической форме Бруновского Установлено, что в силу неинволютивности управляемого распределения, рассматриваемые неголономные кинематические модели движения платформы x = Gt{x)v за счет нелинейной замены координат и применения статической или динамической обратной связи не могут быть полностью линеаризованы в окрестности положения равновесия, но могут быть приведены к цепной форме представления

ео="о> (13)

е, =(Ле,)и0 + Лм,, (14)

где ед =col(e°), е, = col(e',e\ ,е"м), е' е Д*', г е[1,ти-1], м0=со1(ы°), к, =со\(и',и2, ,и"'~') Матрицы А и В представлены в канонической форме Бруновского с индексами управляемости , кт_,, щ - генерирующий вход

В то же время, последовательное дифференцирование дифференциально плоских выходов системы и введение дополнительных интеграторов, посредством которых осуществляется декомпозиция влияния входных переменных на каждый из выходов, позволяет найти линеаризующую нелинейную замену координат и построить динамическую обратную связь, которая позволяет преобразовать исходную систему к канонической форме Бруновского

В третьей главе представлено описание двухприводного мобильного робота «Невская стрела», представлена структурная схема системы управления, а также приведено описание конкретных транспортных задач, решаемых роботом

Конкретные примеры транспортных задач, исследуемые в работе, взяты из регламента соревнований мобильных роботов, проводимых в Москве в Институте механики МГУ В основе регламента, разработанного для этих соревнований, лежит идея задания маршрута движения робота с помощью активных маяков Расположение маяков, порядок их включения заранее неизвестны, следовательно, неизвестно и аналитическое описание траектории

движения робота, движущегося по активным маякам Соревнования мобильных роботов проводятся на ограниченной ровной площадке - полигоне, над которым подвешено несколько излучающих маяков Согласно регламенту соревнований робот должен выполнить задачи наведение на один маяк (стационарный или подвижный), въезд в «ворота» (проезд между двумя маяками), объезд двух маяков «восьмеркой», проезд цепочки маяков («змейка»)

Мобильный робот «Невская стрела», разработанный в СПбГУ ИТМО, успешно принял участие в соревнованиях 2002 года, завоевав несколько дипломов Робот представляет собой автономную двухприводную тележку, несущую необходимые датчики и систему управления движением В работе представлено подробное описание ходовой, сенсорной и вычислительной систем робота Также был проведен сравнительный анализ различных оптических схем системы технического зрения

Структурная схема системы управления мобильным роботом, разработанная для решения рассматриваемых в работе задач, представлена на рисунке 1 Сенсорная система собирает информацию о положении маяков относительно робота и его скорости Она включает в себя две подсистемы датчики перемещения и систему технического зрения (СТЗ) На основании сигналов от маяков СТЗ формирует параметры обнаруженных маяков пеленг маяка у, и расстояние до маяка р, Далее эти сигналы поступают на анализатор (регулятор верхнего уровня) Анализ задач показал, что траекторию движения робота при выполнении любого упражнения можно представить в виде совокупности отрезков движения по базовым примитивам по прямой и по окружности (дуге) Задачей анализатора является определение текущего типа решаемой задачи, выбор наиболее целесообразного решения в зависимости от конкретной ситуации, сложившейся на полигоне, формирование и передача регулятору нижнего уровня желаемых значений параметров движения В описываемой системе управления анализатор реализуется программно на осйове конечно автоматного подхода В состав анализатора также входит блок корректировки траектории движения с целью предотвращения столкновения с маяком, построенный на основе нейросетевых и нечетких технологий Выходами анализатора являются желаемые значения вектора линейных скоростей V' и угловой скорости ©'движения робота Эти сигналы наряду с сигналами с датчиков угловых скоростей колес поступают на вход регулятора нижнего уровня, который вырабатывает управляющие воздействия и„ обеспечивающие желаемое перемещение робота в рабочем пространстве

Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов ориентации движения робота в рабочем пространстве В диссертационной работе решение задачи планирования реализовано с помощью аппарата конечных автоматов

Конечный автомат рассматривается как система 5 = {{/, , где

и = {щ, ,ит} - алфавит входа, X = ,хп} - алфавит состояний, У = {>»,, ,,уг} - алфавит выхода, / X х и -» X - правило перехода, g X -> У -правило выхода (логика Мура) При использовании конечно автоматного

подхода мобильный робот рассматривается как «реактивная» система Такие системы реагируют на поток событий изменением состояний и выполнением действий при переходах из состояния в состояние или действий в состояниях Для каждой из рассматриваемых в работе задач («куча», «маяки-ворота», «восьмерка», «змейка») разработан свой конечный автомат

Рисунок 1 — Структурная схема системы управления Задача «.Куча» На полигоне одновременно включено несколько маяков, робот должен последовательно погасить все маяки Критерием построения последовательности является минимизация времени, затрачиваемого на прохождение маяков «кучи» по некоторому маршруту, последовательно соединяющему все маяки Одним из возможных способов решения задачи является использование алгоритма «ближайшего соседа» В работе были найдены условия, при которых алгоритм «ближайшего соседа» обеспечивает минимальный по длине маршрут, проходящий через все маяки

Теорема 4.1. Пусть найден минимальный гамильтонов цикл, охватывающий все вершины графа задачи Для каждой вершины графа инцидентные ей ребра, принадлежащие минимальному гамильтонову циклу, обчадают минимальным весом из всех ребер, инцидентных данной вершине Тогда маршрут, построенный по алгоритму «ближайшего соседа» и проходящий через все вершины графа задачи, будет иметь минимальную длину Условие теоремы является достаточным, но не необходимым для построения минимального маршрута В то же время нахождение минимального гамильтонова цикла не гарантирует получение минимального маршрута Тем не менее, как показано в работе, в настоящее время алгоритм «ближайшего соседа» является наиболее оптимальным из всех физически реализуемых алгоритмов

Конечный автомат, реализующий задачу «куча», представлен на рисунке 2 В качестве входного множества принята информация о количестве активных маяков, поступающая из системы технического зрения С/= {щ — хотя бы один активный маяк, ьь — нет активных маяков} Элементы выходного множества представляют собой фазы движения У = {у| - движение прямо на маяк, у2 -остановка} Алфавит состояний для задачи «куча» представляет собой двухэлементное множество X = - движение по прямой на маяк, х2 — остановка} Задача «маяки-ворота» Робот должен погасить маяки, последовательно загорающиеся на полигоне, если загорается одновременно два

маяка, необходимо пройти в ворота между ними В качестве входного множества конечного автомата принята информация о количестве активных маяков, поступающая от системы технического зрения и= {и| - один активный маяк, М2 - два активных маяка, щ - больше двух активных маяков, «4 - нет активных маяков} Элементы выходного множества представляют собой фазы движения У = (у, — движение прямо, уг - остановка} Алфавит состояний представляет собой множество X = {XI - движение по прямой на маяк, х2 -движение по прямой между маяками, хз - остановка} Автомат является инициальным с начальным состоянием х^ Граф переходов, соответствующий конечному автомату решения задачи «маяки-ворота», представлен на рисунке 3

Рисунок 3 - Конечный автомат, реализующий задачу «маяки-ворота» Задача «маяки-еорота-еосьмерки» аналогична предыдущей с тем изменением, что пару активных маяков робот должен объехать «восьмеркой» Использование конечно автоматного подхода позволяет декомпозировать задачу и представить ее решение как комбинацию элементарных движений робота по прямой и по окружности Наиболее сложным моментом при этом оказывается правильное задание критерия перехода от поступательного движения к вращательному и наоборот В данной работе в качестве критерия перехода к вращательному движению выбран момент пересечения роботом ворот, когда оба активных маяка оказываются позади робота Переход от вращательного движения к поступательному совершается после изменения знака пеленга одного из видимых маяков, это соответствует ситуации, когда маяки оказываются по разные стороны от продольной оси робота Тогда конечный автомат задачи «маяки-ворота-восьмерки» описывается следующим образом и = {м| - нет активных маяков, м2 - один активный маяк, 1/3 - два активных маяка, оба маяка позади робота, щ - два активных маяка, хотя бы один из них справа впереди, иъ- два активных маяка, хотя бы один из них слева впереди, щ - больше двух активных маяков}, У = [у, - движение прямо, у% -поворот налево, _у3 - поворот направо, - остановка}, X = - движение по прямой на маяк, х2 - движение по прямой между маяками, .т3 - поворот относительно левого маяка, х4 - движение по прямой между маяками, х5 -поворот относительно правого маяка, х6 - остановка} Функционирование алгоритма начинается с состояния 1Ьте автомат является инициальным Граф

Рисунок 2 - Конечный автомат, реализующий задачу «куча»

переходов, соответствующий описанному конечному автомату, представлен на рисунке 4

и и

Рисунок 4 — Конечный автомат, реализующий задачу «маяки-ворота-восьмерки» Задача «змейка» заключается в проезде цепочки активных маяков Движение в «змейке» осуществляется по дугам окружностей с радиусом г с соблюдением порядка «маяк справа, маяк слева, маяк справа и т д » Значение радиуса г выбирается таким образом, чтобы не задеть маяк при вращении, в то же время оно не должно быть слишком велико, т к необходимо минимизировать время выполнения задания

Конечный автомат, реализующий задачу «змейка», описывается следующим образом и - {ы, - несколько активных маяков, хотя бы один из двух ближайших справа впереди, и2 - несколько активных маяков, хотя бы один из двух ближайших слева впереди, щ - несколько активных маяков, два ближайших позади робота, щ — один активный маяк, щ - нет активных маяков}, У = {уI ~ движение прямо, у2 -поворот направо, у3 - поворот налево, у4 -остановка}, X = {х| — вращение вокруг левого ближайшего маяка, хг — движение по прямой между маяками, - вращение вокруг правого ближайшего маяка, х4 — движение по прямой между маяками, х$ - движение по прямой на маяк, х6 -старт, х-1 - финиш} Автомат также является инициальным, выполнение упражнения всегда начинается с начального состояния х6 Граф переходов, соответствующий описанному конечному автомату представлен на рисунке 5

и п'

Рисунок 5 - Конечный автомат, реализующий задачу «змейка» Все представленные конечные автоматы являются детерминированными, т е для всех автоматов выполнено условие однозначности переходов

В четвертой главе представлен также метод синтеза алгоритма, корректирующего траекторию движения робота с целью предотвращения столкновения робота с маяком при выполнении упражнений «ворота», «восьмерка» и «змейка» Алгоритм включается при переходе робота в состояние проезда между маяками Расчетный угол прохождения роботом ворот, вычисляемый соответствующим конечным автоматом, проходя через

фаззификатор, подается на вход многослойной нейронной сети В фаззификатор заложены продукционные правила, анализирующие степень близости расчетной траектории к каждому из маяков На выходе нейронной сети после ее обучения получаем скорректированный угол, под которым робот проходит между маяками Обучение нейронной сети проводилось с учителем методом наискорейшего спуска

В пятой главе представлена процедура синтеза локальных регуляторов для двух при водно го мобильного робота, обеспечивающих наведение робота на маяк и вращение вокруг маяка Электромеханическая модель робота приведена в подразделе 1 9

Введем в рассмотрение задачно-ориентированные координаты робота

- 5 = а - а - угловое отклонение (ошибка угловой ориентации),

- а = У(() - У"(() - ошибка по скорости продольного перемещения,

где а - желаемая ориентация робота, V {{) - желаемая линейная скорость движения робота

Задача управления заключается в стабилизации угловой ориентации робота 8 = 0 и поддержании заданной постоянной скорости продольного перемещения ст = \'\1) - У'= О

Канал управления ориентацией робота Движение на маяк Задача управления заключается в том, чтобы найти напряжения и и и2, компенсирующие ошибку угловой ориентации б = а - а При малых отклонениях 8 к; 0,5~0, 8 « 0 уравнение динамики будет иметь вид

8 + £5г5 + А6|8 = -а60К + {78,

где кы > 0, кы > 0, а50 > 0 - известные коэффициенты, иъ - управляющее воздействие, которое связано с переменными {/„, £/8 соотношением

= (15)

иъ=и2-и, (16)

При выборе управления в виде

и&=аЬ0У-к60Б (17)

уравнение замкнутой системы примет вид

8 + к52Ь + &518 + &508 = 0 (18)

Из уравнения (18) следует, что при 0 < £60 < къгкы, замкнутая система является асимптотически устойчивой

Канал управления ориентацией робота Движение вокруг маяка При малых отклонениях 8^0,8 и 0, 5 « 0 уравнение динамики принимает вид

8 + к528 + ¿818 = -аеор"У' - аб1У + ¿76, где ке2 > 0, кы > 0, а80 > 0, а8| > 0, р' - эталонное значение радиуса кривизны вращения, V - желаемое значение скорости движения, иь - управляющее воздействие, которое связано с переменными иа, [/$ соотношением (1) При выборе управляющего воздействия в виде

и,=а60р'У' + аыУ-кЬ08 (19)

уравнение замкнутой системы примет вид

8 + кыБ + кь]д + къа8 = 0 (20)

Из уравнения (20) следует, что при 0<&60 <кь2кы, замкнутая система является асимптотически устойчивой

Канал управления продольным перемещением робота Задача управления заключается в том, чтобы найти напряжения U\, £Л, компенсирующие невязку по скорости о = V(t) - V (/) При малых отклонениях уравнение динамики принимает вид

оЛ-к^<з + к^о = -аьгУ"Ъ-аыЪ-аХ -oapV* -а0р*(К*)2 +С/0 где кв] > 0, ка0 > 0, аи, я6], an,as,aQ - известные коэффициенты, Ua -управляющее воздействие, которое связано с переменными С/с, СД соотношением

ЬиМЛ+апи,) = Üa, (21)

Ua=U2+U, (22)

Выбор управляющего воздействия в виде

Üa =aaV'+^pV'+a0p\V')2+asl8, (23)

обеспечивает асимптотическую устойчивость замкнутой системы

а + ^.а + ^о =-<з625 Г (24)

В приложении приведены программная реализация построенных конечных автоматов, программа настройки нейронной сети, а также программная реализация имитационной модели для экспериментальных исследований синтезированных алгоритмов управления

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено исследование теоретических и прикладных вопросов управления движением мобильных роботов, в результате была решена задача управления движением мобильного робота в условиях неопределенности в задании желаемой траектории В ходе проведенного исследования были получены следующие результаты

1 Представлены процедуры построения и классификации математических моделей колесных роботов, проведен их анализ Ключевым моментом построения моделей робота является вывод кинематических ограничений, генерируемых колесными модулями

2 Проведен сравнительный анализ различных оптических схем системы технического зрения мобильного робота с точки зрения точности определения координат объектов

3 Разработана структура системы управления мобильного робота, регулятор верхнего уровня которой совмещает два блок анализатора и блок корректировки движения

4 Использование конечно автоматного подхода при разработке алгоритмы ориентации робота в рабочем пространстве позволяет представить любую

траекторию движения в виде движения по базовым примитивам по прямой и по окружности

5 Разработанные локальные алгоритмы управления позволяют решить задачу управления роботом при неопределенности в задании траектории движения

6 Представлен нечеткий нейросетевой алгоритм корректировки траектории движения робота с целыо предотвращения столкновения с объектами

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Аржаник А В , Вашенков О Е , Лямин А В , Штефан В И Мобильный робот «Невская стрела» // Мехатропика, автоматизация, управление - М Новые технологии 2004, №2 - С 23-26

2 Аржаник А В Система технического зрения мобильного робота // Вестник конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО Сборник научных трудов -СПб СПбГУ ИТМО, 2004 - С 97 - 102

3 Аржаник А В Синтез алгоритмов управления движением двухприводного мобильного робота на основе нечеткой логики для задачи прохождения «ворот» // Вестник II межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО Сборник научных трудов / Под ред В JI Ткалич Том 2 - СПб СПбГУ ИТМО, 2005 - С 112- 120

4 Аржаник А В Синтез нечетких алгоритмов управления мобильным роботом // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики № 28 - СПб СПбГУ ИТМО, 2006 - С 113-122

5 Лямин А В , Русак (Аржаник) А В Решение некоторых транспортных задач управления мобильным роботом // Информационные технологии моделирования и управления / Под ред О Я Кравец - Воронеж изд-во «Научная книга», 2006, №5(30) - С 637 - 644

6 Лямин А В , Русак (Аржаник) А В Использование конечных автоматов при решении нетривиальных транспортных задач управления мобильным роботом // Системы управления и информационные технологии Перспективные исследования - Воронеж, 2006, № 4 2(26) - С 248 - 252

7 Rusak (Arzhanik) А V Mobile robot control system design based on fuzzy neural networks // Preprints of 11th International Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad) - Samt-Petersburg, 2006 - P 236 - 240

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул , 14 Тел (812) 233 4669 Объем 1 у п л Тираж 100 экз

Оглавлениеавтор диссертации — кандидата технических наук Русак, Алена Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ.

1.1 Кинематические схемы колесных роботов. Модельные предложения.

1.2 Формирование систем координат и геометрия робота.

1.3 Кинематические характеристики колес.

1.4 Механические системы с кинематическими ограничениями. Классификация неголономных систем.

1.5 Кинематическая модель движения платформы колесного робота.

1.6 Динамическая модель колесного робота.

1.7 Динамическая модель двухприводного колесного робота.

1.8 Уравнения Маджи для электромеханических систем с неголономными связями.

1.9 Электромеханическая модель двухприводного колесного робота.

2 АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ.

2.1 Управляемость.

2.2 Канонические формы и дифференциально плоские системы.

2.3 Статическая и динамическая линеаризация моделей колесных роботов.

2.4 Стабилизация неголономных систем относительно положения равновесия.

3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

3.1 Описание задач.

3.2 Описание мобильного робота «Невская стрела».

3.3 Сенсорная система.

3.4 Структурная схема системы управления.

3.4.1 Анализатор.

3.4.2 Регулятор.

4 АЛГОРИТМЫ ОРИЕНТАЦИИ РОБОТА НА ПОЛИГОНЕ.

4.1 Конечные автоматы.

4.1.1 Решение задачи «Куча».

4.1.2 Решение задачи «Маяки-ворота».

4.1.3 Решение задачи «Маяки-ворота-восьмерки».

4.1.4 Решение задачи «Змейка».

4.2 Алгоритм корректировки траектории движения.

5. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ.

5.1 Управление ориентацией робота.

5.2 Управление продольным перемещением робота.

Введение2007 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Русак, Алена Викторовна

Современные мобильные роботы являются сложными программно-техническими комплексами, предназначенными для решения задач различной сложности. Новейшие модификации подобных роботов имеют развитую конструкцию ходовой части, бортовое устройство вычислительной техники, навигационную систему маршрутослежения и средства очувствления. Они характеризуются развитым взаимодействием с внешними объектами, расширенными возможностями приспособления к сложной, неопределенной и подвижной внешней среде, высокой функциональной гибкостью и маневренностью. Эти качества необходимы для выполнения нетривиальных транспортных задач, таких как обход препятствий, проникновение в труднодоступные области рабочего пространства, прецизионное выполнение движений вдоль сложных криволинейных контуров [31]. Построение системы управления движением автономного колесного робота предусматривает разработку алгоритмов моделирования среды, планирования маршрута, контурного управления, обнаружения и обхода статических и подвижных препятствий и т.д.

Колесный робот относится к классу неголономных систем. В таких системах кроме геометрических присутствуют кинематические связи, т.е. связи налагающие ограничения на величины скоростей точек и тел системы и не сводящиеся к геометрическим. В результате для описания положения колесного робота используются переменные, которые не все являются независимыми. Это вызывает основные сложности анализа и синтеза колесных робототехнических систем и затрудняет использование стандартных методов управления. С точки зрения теории управления наличие неголономных связей препятствует использованию стандартных алгоритмов планирования и управления, разработанных, например, для манипуляционных роботов. Задача стабилизации для таких систем является нетривиальной, неголономные системы не могут быть стабилизированы относительно положения равновесия стационарной обратной связью по состоянию [51, 55, 80]. Решение задачи стабилизации колесного робота требует применения других видов обратной связи: нестационарных, кусочно-непрерывных и т.д. Однако, несмотря на это, оказывается возможным использование стационарной обратной связи при решении задачи движения, т. к. она формулируется только по части переменных, описывающих положение робота.

Один из наиболее известных подходов к решению задачи управления движением робота основывается на классических принципах построения следящих систем [39]. Данный метод предполагает включение в систему управления специального задающего устройства (интерполятора), которое генерирует желаемую траекторию в параметрической форме. Однако, точностные требования, предъявляемые к интерполяторам, необходимость перестройки программы эталонного движения при изменении характера движения мобильного робота, а также низкий уровень совместимости с сенсорной информацией определяют основные недостатки данного подхода и ограничивают возможности применения следящих систем управления.

Метод траекторного управления [30, 64, 77] предполагает использование текущих значений отклонений от заранее заданной траектории и исключает необходимость привлечения генераторов эталонной модели. Здесь желаемая траектория движения представляется отрезками гладкой кривой, заданной в неявной форме. Задача контурного управления заключается в стабилизации робота относительно заданной траектории и поддержании требуемой скорости перемещения вдоль нее.

Однако существует ряд транспортных задач, в которых отсутствует или сведена к минимуму априорная информация о существенных для выполнения задачи характеристиках и параметрах окружающей среды, аналитическое описание эталонной траектории движения неизвестно. Задачи такого рода характеризуются неопределенностью цели (целевого условия) [31]. Для решения таких нетривиальных транспортных задач недостающую информацию робот должен получать в ходе выполнения задачи за счет использования различных по исполнению и назначению измерительных устройств, размещенных на нем и составляющих его сенсорную систему. Особая роль в этих условия отводится вычислительной системе робота, на которую возлагается обработка сигналов, поступающих от сенсорной системы, распознавание состояния окружающей среды, определение желаемого поведения робота, вычисление отклонений текущей конфигурации и скоростей робота от желаемых значений и пересчет отклонений в управляющие воздействия. Для решения задач такого рода становится проблематичным использование традиционных методов управления, возникает необходимость использования специальных стратегий управления траекторным движением с использованием принципов адаптации и самообучения.

Таким альтернативным методом решения нетривиальных транспортных задач может служить ситуационный подход. Данный метод основан на обнаружении ситуаций из заранее определенного множества и принятия управленческих решений, ассоциированных с ситуациями. Для описания переходов ситуаций используются дискретно-событийные модели различных видов, в частности, конечные автоматы [42 - 43, 63]. Конечные автоматы в настоящее время все шире применяются в различных областях программирования. Их основными достоинствами являются простота и наглядность. Наиболее разработанным вопросом применения конечных автоматов является синтаксический анализ в различного рода трансляторах алгоритмических языков, также они применяются в области логического управления и в объектно-ориентированном программировании, используются при программировании протоколов, игр и схем программируемой логики. При использовании данного подхода мобильный робот рассматривается как «реактивная» система. Такие системы реагируют на поток событий изменением состояний и выполнением действий при переходах из состояния в состояние или действий в состояниях. Основным источником, "генератором" потоков событий, является окружающая (по отношению к вычислителю, исполняющему программу реактивной системы) среда.

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.

1. Построение и анализ математических моделей мобильного колесного робота в задачно-ориентированных координатах, исследование их структурных свойств.

2. Анализ оптических схем системы технического зрения мобильного робота.

3. Построение структуры системы управления и ориентации мобильного робота.

4. Синтез и исследование алгоритмов ориентации робота в рабочем пространстве.

5. Синтез и исследование алгоритмов управления движением мобильного робота.

6. Синтез и исследование алгоритма корректировки траектории движения робота.

Методы исследования. Для получения теоретических результатов использовались методы дифференциальной геометрической теории нелинейных систем, нейросетевые технологии, теория графов и конечных автоматов. Для обучения нейронной сети и тестирования полученных результатов был разработан пакет программ с использованием программной среды Ма^аЬ.

Новизна научных результатов.

1. Разработана иерархическая структура системы управления движением мобильного робота, которая позволяет решать нетривиальные задачи управления в условиях неопределенности в задании траектории движения.

2. Разработаны алгоритмы ориентации мобильного робота, функционирующего в среде с программируемыми световыми маяками, предложена их реализация с использованием конечно автоматного подхода.

3. Предложен метод синтеза нечеткого нейросетевого алгоритма корректировки траектории движения робота с целью предотвращения столкновения с маяком.

4. предложены алгоритмы управления движением двухприводного мобильного робота при отсутствии явнозаданной траектории движения.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для построения систем управления автономными мобильными роботами, функционирующими в условиях неопределенности в задании траектории движения. В ходе работы был разработан пакет прикладных программ, реализующих построенные конечные автоматы, программы для обучения нечеткой нейронной сети и для тестирования полученных результатов.

Практическая значимость представленных алгоритмов управления подтверждается дипломами, полученными на соревнованиях мобильных роботов, проводимых в Москве в Институте механики МГУ им. Ломоносова.

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре компьютерных образовательных технологий Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики в рамках темы «Центр коллективного пользования «Мехатронные и мобильные комплексы» (проект № 226) по направлению «Поддержка интеграции науки и высшей школы», поддержана персональными грантами № М04-3.11К-327 «Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных робототехнических комплексов», № М05-3.11К-314 «Синтез алгоритмов управления движением двухприводного мобильного робота на основе нечеткой логики» и №М06-3.11К-173 «Синтез нечетких алгоритмов управления мобильным роботом» для студентов и аспирантов Конкурсного центра фундаментального естествознания Минобразования РФ. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на I, II, III межвузовских конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО (2004 - 2006 гг.), а также на 11-й Международной студенческой олимпиаде по автоматическому управлению ВОАС'2006 (Санкт-Петербург, 2006 г.).

Публикации работы. Основные результаты диссертации опубликованы в семи печатных работах [1 - 4, 23, 24, 75].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 95 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 150 страницах машинописного текста.

Заключениедиссертация на тему "Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов"

Основные результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Представлены процедуры построения и классификации математических моделей колесных роботов, проведен их анализ. Ключевым моментом построения моделей робота является вывод кинематических ограничений, генерируемых колесными модулями. Для иллюстрации в разделе приведены конкретные примеры построения кинематических и динамических моделей мобильных колесных роботов.

2. Проведен сравнительный анализ различных оптических схем системы технического зрения мобильного робота с точки зрения точности определения координат объектов.

3. Разработана структура системы управления мобильного робота, регулятор верхнего уровня которой совмещает два блока: анализатор и блок корректировки движения.

4. Использование конечно автоматного подхода при разработке алгоритмов ориентации робота в рабочем пространстве позволяет представить любую траекторию движения в виде движений по базовым примитивам: по прямой и по окружности, а также обеспечивает простоту, наглядность и управляемость полученных алгоритмов.

5. Разработанные локальные алгоритмы управления позволяют решить задачу управления роботом при неопределенности в задании траектории движения, не требуя знания текущего отклонения от траектории.

6. Представлен алгоритм корректировки траектории движения робота с целью предотвращения столкновения с объектами в рабочем пространстве, выполненный на базе комбинации методов нечеткой логики и нейросетевых технологий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации проведено исследование, связанное с анализом математических моделей колесных роботов и построением законов управления движением колесного робота при отсутствии явно заданной желаемой траектории движения.

БиблиографияРусак, Алена Викторовна, диссертация по теме Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

1. Аржаник A.B., Вашенков O.E., Лямин A.B., Штефан В.И. Мобильный робот «Невская стрела» // Мехатроника, автоматизация, управление. -М.: Новые технологии. 2004, №2. С. 23 - 26.

2. Аржаник А. В. Система технического зрения мобильного робота // Вестник конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. Сборник научных трудов. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004. - С.97 - 102.

3. Аржаник A.B. Синтез нечетких алгоритмов управления мобильным роботом // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики № 28. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. - С. 113 - 122.

4. Борисович Ю.Г., Близняков Н.М., Израилевич Я.А., Фоменко Т.Н. Введение в топологию. -М.: Наука, Физматиздат, 1995.-416 с.

5. Богуславский A.A., Сербенюк Н.С., Соколов С.М. Конический сенсор для навигации подвижного робота по маякам // Материалы науч. школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», 5 6 декабря 2000 г. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000. - С. 42 - 55.

6. Буданов В. М., Девянин Е. А. О движении колёсных роботов // ПММ. -2003. Т. 67., вып. 2. - С. 244 - 255.

7. Бурдаков С.Ф., Мирошник И.В., Стельмаков Р.Э. Системы управления движением колесных роботов. СПб.: Наука, 2001. - 227 с.

8. Гелиг А.Х., Леонов Г.А., Якубович В.А. Устойчивость нелинейных систем с неединственным состоянием равновесия. М.: Наука, 1978.

9. Девянин Е. А. О движении колёсных роботов // Докл. науч. школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», 7-8 декабря 1999 г. М.: Институт механики МГУ, 1999. - С. 169 - 200.

10. П.Дезоер Ч., Видьясагар М. Системы с обратной связью: вход-выходные соотношения. -М.: Наука, 1983.

11. Ерофеев A.A., Полчков А.О. Интеллектуальные системы управления. -СПб: СПбГТУ, 1999. 264 с.

12. Калёнова В. И., Морозов В. М., Салмина М. А. Устойчивость и стабилизация установившихся движений неголономных механических систем одного класса // Мобильные роботы и мехатронные системы. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004. С. 119 - 134.

13. Каллан Р. Основные концепции нейронных сетей. СПб: Вильяме, 2001.-288 с.

14. Келли Дж. Общая топология.-М.: Наука, 1981.-432 с.

15. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1984.

16. Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. М.: Энергия, 1980 - 344 с.

17. Львович А. 10. Электромеханические системы. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989.

18. Люгер Дж. Ф. Искусственные интеллектуальные стратегии и методы решения сложных проблем. Изд. 4. -М.: Вильяме, 2003. 864 с.

19. Лямин A.B. Анализ математических моделей колесных роботов и синтез алгоритмов контурного управления. Дис. кандидата техн. наук.- СПб: СПбГИТМО (ТУ), 1997.

20. Лямин A.B., Мирошник И.В. Динамические модели многоприводных колесных роботов // Анализ и управление нелинейными колебательными системами / Под ред. Г.А. Леонова, А.Л. Фрадкова. -СПб.: Наука, 1998. С. 201-214.

21. Лямин A.B., Русак A.B. Решение некоторых транспортных задач управления мобильным роботом // Информационные технологии моделирования и управления / Под ред. О .Я. Кравец Воронеж: изд-во «Научная книга», 2006, №5(30). - С. 637 - 644.

22. Лямин A.B., Русак A.B. Использование конечных автоматов при решении нетривиальных транспортных задач управления мобильным роботом // Системы управления и информационные технологии. Перспективные исследования. Воронеж, 2006, № 4.2(26). - С.248 -252.

23. Мартыненко Ю. Г. Аналитическая динамика электромеханических систем. М.: Изд-во МЭИ, 1985.

24. Мартыненко Ю.Г. Применение теории неголономных электромеханических систем к задачам динамики мобильных колёсных роботов // Сб. науч. статей, поев. 125-летию кафедры теоретической механики. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - С. 33 - 47.

25. Мартыненко Ю. Г. Проблемы управления и динамики мобильных роботов // Новости искусственного интеллекта. 2002. - № 4 (52). - С. 18-23.

26. Мартыненко Ю.Г. Управление движением мобильных колёсных роботов // Фундаментальная и прикладная математика. М.: Центр новых информационных технологий МГУ, Издательский дом «Открытые системы», 2005. - Том 11, № 8. - С. 29 - 80.

27. Мирошник И.В. Согласованное управление многоканальными системами. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 128 с.

28. ЗЬМирошник И.В., Никифоров В.О, Фрадков A.JI. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими объектами. СПб.: Наука, 2000. - 549 с.

29. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации. М.: Финансы и статистика, 2004. - 344 с.

30. Охоцимский Д. Е., Мартыненко Ю. Г. Новые задачи динамики и управления движением мобильных колёсных роботов // Успехи механики. 2003. - Т. 2, № 1. - С. 3 - 47.

31. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: Наука, 1986.-288 с.

32. Сербенюк Н.С. Экспериментальное исследование свойств конического сенсора // Материалы науч. школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», 5-6 декабря 2000 г. М.: Изд-во Моск. унта, 2000. - С. 56 - 67.

33. Трахтенброт Б.А., Бардзинь Я.М. Конечные автоматы. Поведение и синтез. М.: Наука, 1970.

34. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. М.: Мир, 1989.

35. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс, 2-е изд. М.: Издательский дом «Вильяме», 2006. - 1104 с.

36. Хопкрофт Дж., Мотвани Р., Ульман Дж. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений. Спб: Вильяме, 2002.

37. Шалыто A.A. Алгоритмизация и программирование для систем логического управления и "реактивных" систем. Обзор // Автоматика и телемеханика. 2001. - № 1. - С.3-39.

38. Шалыто А.А. Использование граф-схем алгоритмов и графов переходов при программной реализации алгоритмов логического управления //Автоматика и телемеханика. 1996. N6, 7.

39. Шалыто А.А. SWITCH-технология. Алгоритмизация и программирование задач логического управления. СПб.: Наука, 1998.

40. D'Andera-Novel В., Campion G., Bastin G. Control of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots by State Feedback Linearization. Int. J. of Robotics Res. 1995. V.14, №6. -P.543-559.

41. Ajith Abraham and Baikunth Nath. Designing Optimal Neuro-Fuzzy Systems for Intelligent Control // In Proceedings of The Sixth International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, (ICARCV 2000 -Singapore), Singapore, 2000.

42. Artus G., Morin P., Samson C., Tracking of an omnidirectional target with a nonholonomic mobile robot // IEEE Conf. on Advanced Robotics (ICAR). -2003.-P. 1468-1473.

43. Astolfi A. Expotential stabilization of nonholonomic systems via discontinuous control // Prep, of the IF AC Symposium on Nonlinear Control Systems Design. California, USA, 1995. - P.741 -746.

44. Astolfi A. Discontinuous output feedback control of nonholonomic chained systems // Proc. Of 3rd European Control Conference. Roma, 1995. -P.2626-2629.

45. Bloch A., Reyhanoglu M., McClamroch N.M. Control and stabilization of nonholonomic dynamic systems // IEEE Trans. On Automatic Control. -1990. V.37, №11. -P.1746-1757.

46. Bloch A.M., McClamroch N.H., Reyhanoglu M. Controllability and stabilizability properties of nonholonomic control system // Proc. 29th Conf. on Decision and Control. Honolulu, Hawaii, 1990.-P. 1312-1314.

47. Bobtsov A.A., Liamin A.V. Trajectory Motion Adaptive Control of Mobile Robots // Abstracts of 5th Int. Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad). St-Petersburg, 1996. - P.30-35.

48. Bobtsov A.A., Liamin A.V. The Problem of the Adaptive Compensation of a Periodical Input Disturbance // Int. Conf. Control of Oscillations and Chaos COC'97. - St-Petersburg, 1997. - P.355.

49. Borenstein J. Control and Kinematic design of multi-degree-of-freedom mobile robots with compliant linkage // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1995 - V.l 1, №1. -P.21-35.

50. Brockett R.W. Asymptotic stability and feedback stabilization // Differential Geometric Control Theory. Birkhauser: Boston, 1983. P.181-191.

51. Camption G., Bastin G., D'Andera-Novel B. Structural Properties and Classification of Kinematic and Dynamic Models of Wheeled Mobile Robots // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1996 . - V.l2, №1. -P.47-61.

52. Canudas de Wit C., Khennouf H., Samson C., Sordalen O.J. Nonlinear Control Design for Mobile Robots // In Y.Zheng (Ed). 'Recent trends in Mobile Robots'. World Scientific, 1993. - P. 121-126.

53. Canudas de Wit C., Sordalen O.J. Exponential stabilization of mobile robots with nonholonomic constraints // IEEE Trans, on Automatic Control. -1992. -P.1791-1797.

54. Canudas de Wit C., Sordalen O.J. Example of piecewise smooth stabilization of driftless systems with less inputs them states // Nonlinear Control System Design Simposium. Bordeaux, France, IFAC, 1992. -P.57-61.

55. Coron J.M., Praly L., Teel A. Feedback Stabilization of Nonlinear Systems and Lyapunov and Input-output Techniques // In A.Isidori (Ed). 'Trends in Control: A European Perspective'. Springer-Verlag, 1995. - P.293-349.

56. DeSantis R.M. Modeling and path-tracking control of a mobile wheeled robot with a differential drive // Robotica. -1995. V. 13, part 4. - P.401-410.

57. Everett H.R. Sensors for Mobile Robots: Theory and Application, AK Peters, Ltd., Wellesley, Massachusetts, 1995.

58. Harel D., Politi M. Modeling reactive systems with' statecharts. NY: McGraw-Hill, 1998.

59. Isidori A. Nonlinear control systems. Berlin: Springer-Verlag, 1995.

60. Kennouf H., Canudas de Wit C. On the constraction of stabilizing discontinues for nonholonomic systems // Prep, of the IFAC Symposium on Nonlinear Control Systems Design. California, USA, 1995. - P.747-752.

61. Kolmanovsky I., Mcclamroch N.M. Application of integrator backstepping to nonholonomic control problems // Prep, of the IFAC Symposium on Nonlinear Control Systems Design. California, USA, 1995. - P.747-758.

62. Lyamin A.V. Trajectory tracking for mobile robots. Abstracts of 4lh Int. Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Alimpiad). Russia, St-Petersburg, 1995. P.34-36.

63. Lyamin A.V., Miroshnik I.V. Dynamics and path control of multi-drive mobile robots //Prep, of 27th International Symposium on Industrial Robots. Italy, Capri, 1994. - P.243-248.

64. M'Clockey R.T., Murray R.M. Extending Exponential Stabilizers For Nonholonomic Systems From Kinematic Controllers To Dynamic Controllers // Prep, of the Fourth IFAC Symposium on Robot Control. -Italy, Capri, 1994.-P.243-248.

65. M'Clockey R.T., Murray R.M. Nonholonomic systems and exponential convergence: Some analysis tools // Proc 32nd Conference on Decision and control. IEEE, San-Antonia, Texas, 1993. - P.943-948.

66. Miroshnik I.V., Korolev S.M. Dynamic models and control of spatial motion of nonlinear systems // Prep. European Control Conf. Roma, Italy, 1995. — P. 1463-1468.

67. Miroshnik I.V., Lyamin A.V. Nonlinear Control of Multi-drive Vehicular Robots // Proc. IEEE Conf. on Control Application. UK, Glasgow, 1994. -P.79-80.

68. Miroshnik I.V., Lyamin A.V. Path motion force-torque control of mobile robots // 5th Int. Conference on Robotics and Manufacturing. Cancun, Mexico, 1997.

69. Miroshnik I.V., Nikiforov V.O. Coordinating control and self-learning of robot trajectory motion // The 4th IFAC Symp. On Robot Control. Capri, 1994. -P.811-816.

70. Miroshnik I.V., Nikiforov V.O., Lyamin A.V. Trajectory control of mobile manipulators interacting with complex environment // 2 ECPD International Conference on Advanced Robotics, Intelligent Automation and Active Systems. Austria, 1996. - P.222-227.

71. Morin P., Samson C. Trajectory tracking for nonholonomic vehicles: overview and case study // Work, on Robot Mot. Cont. (RoMoCo). 2004. -P. 139-153.

72. Nijmeijer H., wan der Schaft A.J.H. Nonlinear dynamical control systems. -N.Y.: Springer-Verlag, 1990.

73. Pomet J.B., Thuiot B., Bastin G., Camption G. A hybrid strategy for the feedback stabilization of nonholonomic mobile robots // Int. Conf. on Robotics and Automation. Nice, France, IEEE, 1992. - P. 129-134.

74. Rusak (Arzhanik) A.V. Mobile robot control system design based on fuzzy neural networks // Preprints of 11 International Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad). Saint-Petersburg, 2006. - P. 236 -240.

75. Ryan E., On Brockett's condition for smooth stabilizability and its necessity in a context of nonsmooth feedback // SIAM J. on Cont. and Opt. 1994. -Vol. 32.-P. 1597-1604.

76. Samson C. Path Tracking and Stabilization of a wheeled Mobile Robot // Proc. Int. Conf. ICARCV'92. Singapour, 1992.

77. Samson C. Velocity and torque feedback control of a nonholonomic cart // Int. Workshop an adaptive and nonlinear control. Grenoble, 1990. - P. 125151.

78. Samson C. Control of chained systems. Application to path following and time-varying point stabilization of mobile robots. // IEEE Trans, on Automatic Control. 1995. -P.64-77.

79. Seradji H. Configuration control of redundant manipulators: theory and implementation // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1989. - V.5, №4. - P.472- 490.

80. Sordelen O.J., Egelend 0. Exponential stabilization of chained nonholonomic systems // Proc. 2nd European Control Conference. -Gronmgen, The Netherlands, 1993. -P.1438-1443

81. Sordelen O.J., Nakamura Y., Chung W.J. Path planning and stabilization of nonholonomic manipulator // Proc. of 3rd European Control Conference. -Roma, 1995.-P.2642-2647.

82. Su C., Stepanenko Y. Robust motion/force control of mechanical systems with classical nonholonomic constraints // IEEE Trans, on Automatic Control.- 1994. V.39, №3. P.609-614.

83. Thuilot B., d'Andrea-Novel B., Micaelli A. Modeling and feedback control of mobile robots equipped with several steering wheels // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1996. - V.12, №3. - P.375-390

84. Tilbury D., Sordalen J.,Bushnell L., Sastry S. A multi-steering trailer system: Conversion into chained form using dynamic feedback // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1995. - V.l 1, №6. - P.807-818.

85. Vukobratovich M., Stojic R. and Ekalo Y. Contribution to the control ofthrobot interacting with dynamic environment // The 4 IFAC Symp. on Robot Control. Capri, 1994. - P.487-816.

86. Walsh G., Tilbury D., Sastry S., Murray R., Laumond J.P. Stabilization of trajectories for systems with nonholonomic constraints // IEEE Trans, on Automatic Control. 1994. V.39, №1. -P.216-222.

87. Waxman A.M., LeMoigne J.J. Scinvasan F.B. A visual navigation system for autonomous land vehicles // IEEE J. Robotics and Automation. 1987. 3(2).-P. 124-141.

88. Yagi Y., Kawato S. Panorama scene analysis with conic projection // IEEE International workshop on intelligent Robots & Systems. IROS'90.

89. Yagi Y., Kawato S. and Tsuji S. Real-time omnidirectional image sensor (COPIC) for vision-guided navigation // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1994. V. 10, № 1.

90. Zuoliang L. Cao, Sung J. Oh, Ernest L. Hall. Omnidirectional dynamic vision positioning for mobile robot // Optical engineering. 1986. V.25, №12.1. Лржаник Алене Викторовне

91. За участие в Фестивале «Мобильные роботы — 2002»1. В.А. Садовничий

92. Ректор МГУ им. М.В.Ломоносова академик РАН

93. Председатель Комитета Фестиваля академик РАН1. Д.Е. Охоцимскийвсероссмсшм нкучно-тештескллл1. Команде «Невская стрела»за 2-е местов упражнении «Куча»

94. Ректор МГУ им. М.В.Ломоносова академик РАН1. В. А. Садовничий

95. Председатель Комитета Фестиваля академик РАН1. Д.Е. Охоцимскийнкумио-теш\лче.с\ш\л1. В.А. Садовничий

96. Команде «Невская стрела» за 2-е местов упражнении «Маяки — Ворота»

97. Ректор МГУ им. М.В.Ломоносова академик РАН

98. Председатель Комитета Фестиваля академик РАН1. Д.Е. Охоцимский

99. ВСЕРОСС\Л\ЛСМЛ\Д НКУМНОЛЕШЖЕСКШ

100. ВСЕРОССУМСтЛ НМЧНО-1ЕХН\ЛЧЕСК'Л\Л

101. Команде «Невская стрела» За прогресс и стабильные высокие результаты в соревнованиях Фестиваля «Мобильные роботы 2002»

102. Ректор МГУ им. М.В.Ломоносова академик РАН1. В.А. Садовничий

103. Председатель Комитета Фестиваля академик РАН1. Д.Е. Охоцимский

Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных роботовтема диссертации и автореферата по вак 05.13.01, кандидат технических наук Русак, Алена Викторовна

Автореферат

Начало формы

Конец формы

Диссертация

Начало формы

Конец формы

Артикул: 264889

Год: 

2007

Автор научной работы: 

Русак, Алена Викторовна

Ученая cтепень: 

кандидат технических наук

Место защиты диссертации: 

Санкт-Петербург

Код cпециальности ВАК: 

05.13.01

Специальность: 

Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

Количество cтраниц: 

172

Оглавление диссертации кандидат технических наук Русак, Алена Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ.

1.1 Кинематические схемы колесных роботов. Модельные предложения.

1.2 Формирование систем координат и геометрия робота.

1.3 Кинематические характеристики колес.

1.4 Механические системы с кинематическими ограничениями. Классификация неголономных систем.

1.5 Кинематическая модель движения платформы колесного робота.

1.6 Динамическая модель колесного робота.

1.7 Динамическая модель двухприводного колесного робота.

1.8 Уравнения Маджи для электромеханических систем с неголономными связями.

1.9 Электромеханическая модель двухприводного колесного робота.

2 АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ.

2.1 Управляемость.

2.2 Канонические формы и дифференциально плоские системы.

2.3 Статическая и динамическая линеаризация моделей колесных роботов.

2.4 Стабилизация неголономных систем относительно положения равновесия.

3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

3.1 Описание задач.

3.2 Описание мобильного робота «Невская стрела».

3.3 Сенсорная система.

3.4 Структурная схема системы управления.

3.4.1 Анализатор.

3.4.2 Регулятор.

4 АЛГОРИТМЫ ОРИЕНТАЦИИ РОБОТА НА ПОЛИГОНЕ.

4.1 Конечные автоматы.

4.1.1 Решение задачи «Куча».

4.1.2 Решение задачи «Маяки-ворота».

4.1.3 Решение задачи «Маяки-ворота-восьмерки».

4.1.4 Решение задачи «Змейка».

4.2 Алгоритм корректировки траектории движения.

5. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ.

5.1 Управление ориентацией робота.

5.2 Управление продольным перемещением робота.

Введение диссертации (часть автореферата) На тему "Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов"

Современные мобильные роботы являются сложными программно-техническими комплексами, предназначенными для решения задач различной сложности. Новейшие модификации подобных роботов имеют развитую конструкцию ходовой части, бортовое устройство вычислительной техники, навигационную систему маршрутослежения и средства очувствления. Они характеризуются развитым взаимодействием с внешними объектами, расширенными возможностями приспособления к сложной, неопределенной и подвижной внешней среде, высокой функциональной гибкостью и маневренностью. Эти качества необходимы для выполнения нетривиальных транспортных задач, таких как обход препятствий, проникновение в труднодоступные области рабочего пространства, прецизионное выполнение движений вдоль сложных криволинейных контуров [31]. Построение системы управления движением автономного колесного робота предусматривает разработку алгоритмов моделирования среды, планирования маршрута, контурного управления, обнаружения и обхода статических и подвижных препятствий и т.д.

Колесный робот относится к классу неголономных систем. В таких системах кроме геометрических присутствуют кинематические связи, т.е. связи налагающие ограничения на величины скоростей точек и тел системы и не сводящиеся к геометрическим. В результате для описания положения колесного робота используются переменные, которые не все являются независимыми. Это вызывает основные сложности анализа и синтеза колесных робототехнических систем и затрудняет использование стандартных методов управления. С точки зрения теории управления наличие неголономных связей препятствует использованию стандартных алгоритмов планирования и управления, разработанных, например, для манипуляционных роботов. Задача стабилизации для таких систем является нетривиальной, неголономные системы не могут быть стабилизированы относительно положения равновесия стационарной обратной связью по состоянию [51, 55, 80]. Решение задачи стабилизации колесного робота требует применения других видов обратной связи: нестационарных, кусочно-непрерывных и т.д. Однако, несмотря на это, оказывается возможным использование стационарной обратной связи при решении задачи движения, т. к. она формулируется только по части переменных, описывающих положение робота.

Один из наиболее известных подходов к решению задачи управления движением робота основывается на классических принципах построения следящих систем [39]. Данный метод предполагает включение в систему управления специального задающего устройства (интерполятора), которое генерирует желаемую траекторию в параметрической форме. Однако, точностные требования, предъявляемые к интерполяторам, необходимость перестройки программы эталонного движения при изменении характера движения мобильного робота, а также низкий уровень совместимости с сенсорной информацией определяют основные недостатки данного подхода и ограничивают возможности применения следящих систем управления.

Метод траекторного управления [30, 64, 77] предполагает использование текущих значений отклонений от заранее заданной траектории и исключает необходимость привлечения генераторов эталонной модели. Здесь желаемая траектория движения представляется отрезками гладкой кривой, заданной в неявной форме. Задача контурного управления заключается в стабилизации робота относительно заданной траектории и поддержании требуемой скорости перемещения вдоль нее.

Однако существует ряд транспортных задач, в которых отсутствует или сведена к минимуму априорная информация о существенных для выполнения задачи характеристиках и параметрах окружающей среды, аналитическое описание эталонной траектории движения неизвестно. Задачи такого рода характеризуются неопределенностью цели (целевого условия) [31]. Для решения таких нетривиальных транспортных задач недостающую информацию робот должен получать в ходе выполнения задачи за счет использования различных по исполнению и назначению измерительных устройств, размещенных на нем и составляющих его сенсорную систему. Особая роль в этих условия отводится вычислительной системе робота, на которую возлагается обработка сигналов, поступающих от сенсорной системы, распознавание состояния окружающей среды, определение желаемого поведения робота, вычисление отклонений текущей конфигурации и скоростей робота от желаемых значений и пересчет отклонений в управляющие воздействия. Для решения задач такого рода становится проблематичным использование традиционных методов управления, возникает необходимость использования специальных стратегий управления траекторным движением с использованием принципов адаптации и самообучения.

Таким альтернативным методом решения нетривиальных транспортных задач может служить ситуационный подход. Данный метод основан на обнаружении ситуаций из заранее определенного множества и принятия управленческих решений, ассоциированных с ситуациями. Для описания переходов ситуаций используются дискретно-событийные модели различных видов, в частности, конечные автоматы [42 - 43, 63]. Конечные автоматы в настоящее время все шире применяются в различных областях программирования. Их основными достоинствами являются простота и наглядность. Наиболее разработанным вопросом применения конечных автоматов является синтаксический анализ в различного рода трансляторах алгоритмических языков, также они применяются в области логического управления и в объектно-ориентированном программировании, используются при программировании протоколов, игр и схем программируемой логики. При использовании данного подхода мобильный робот рассматривается как «реактивная» система. Такие системы реагируют на поток событий изменением состояний и выполнением действий при переходах из состояния в состояние или действий в состояниях. Основным источником, "генератором" потоков событий, является окружающая (по отношению к вычислителю, исполняющему программу реактивной системы) среда.

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.

1. Построение и анализ математических моделей мобильного колесного робота в задачно-ориентированных координатах, исследование их структурных свойств.

2. Анализ оптических схем системы технического зрения мобильного робота.

3. Построение структуры системы управления и ориентации мобильного робота.

4. Синтез и исследование алгоритмов ориентации робота в рабочем пространстве.

5. Синтез и исследование алгоритмов управления движением мобильного робота.

6. Синтез и исследование алгоритма корректировки траектории движения робота.

Методы исследования. Для получения теоретических результатов использовались методы дифференциальной геометрической теории нелинейных систем, нейросетевые технологии, теория графов и конечных автоматов. Для обучения нейронной сети и тестирования полученных результатов был разработан пакет программ с использованием программной среды Ма^аЬ.

Новизна научных результатов.

1. Разработана иерархическая структура системы управления движением мобильного робота, которая позволяет решать нетривиальные задачи управления в условиях неопределенности в задании траектории движения.

2. Разработаны алгоритмы ориентации мобильного робота, функционирующего в среде с программируемыми световыми маяками, предложена их реализация с использованием конечно автоматного подхода.

3. Предложен метод синтеза нечеткого нейросетевого алгоритма корректировки траектории движения робота с целью предотвращения столкновения с маяком.

4. предложены алгоритмы управления движением двухприводного мобильного робота при отсутствии явнозаданной траектории движения.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для построения систем управления автономными мобильными роботами, функционирующими в условиях неопределенности в задании траектории движения. В ходе работы был разработан пакет прикладных программ, реализующих построенные конечные автоматы, программы для обучения нечеткой нейронной сети и для тестирования полученных результатов.

Практическая значимость представленных алгоритмов управления подтверждается дипломами, полученными на соревнованиях мобильных роботов, проводимых в Москве в Институте механики МГУ им. Ломоносова.

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре компьютерных образовательных технологий Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики в рамках темы «Центр коллективного пользования «Мехатронные и мобильные комплексы» (проект № 226) по направлению «Поддержка интеграции науки и высшей школы», поддержана персональными грантами № М04-3.11К-327 «Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных робототехнических комплексов», № М05-3.11К-314 «Синтез алгоритмов управления движением двухприводного мобильного робота на основе нечеткой логики» и №М06-3.11К-173 «Синтезнечетких алгоритмов управления мобильным роботом» для студентов и аспирантов Конкурсного центра фундаментального естествознания Минобразования РФ. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на I, II, III межвузовских конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО (2004 - 2006 гг.), а также на 11-й Международной студенческой олимпиаде по автоматическому управлению ВОАС'2006 (Санкт-Петербург, 2006 г.).

Публикации работы. Основные результаты диссертации опубликованы в семи печатных работах [1 - 4, 23, 24, 75].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 95 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 150 страницах машинописного текста.