Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов

Диссертация

Автор: Русак, Алена Викторовна

Заглавие: Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов

Справка об оригинале: Русак, Алена Викторовна. Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов: диссертация... кандидата технических наук: 05.13.01 Санкт-Петербург, 2007 172 c.: 61 07-5/3184

Физическое описание: 172 стр.

Выходные данные: Санкт-Петербург, 2007

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКЖ МОДЕЛИ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ
11 Кинематические схемы колесных роботов Модельные предложения
12 Формирование систем координат и геометрия робота
13 Кинематические характеристики колес
14 Механические системы с кинематическими ограничениями Классификация неголономных систем
15 Кинематическая модель движения платформы колесного робота
16 Динамическая модель колесного робота
17 Динамическая модель двухприводного колесного робота
18 Уравнения Маджи для электромеханических систем с неголономными связями
19 Электромеханическая модель двухнриводного колесного робота АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ
21 Управляемость
22 Канонические формы и дифференциально плоские системы
23 Статическая и динамическая линеаризация моделей колесных роботов
24 Стабилизация неголономных систем относительно положения равновесия ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
31 Описание задач
32 Описание мобильного робота «Невская стрела»
33 Сенсорная система
34 Структурная схема системы управления
341 Анализатор
342 Регулятор АЛГОРИТМЫ ОРИЕНТАЦИИ РОБОТА НА НОЛИГОНЕ
41 Конечные автоматы
11 Решение задачи «Куча»
412 Решение задачи «Маяки-ворота»
413 Решение задачи «Маяки-ворота-восьмерки»
414 Решение задачи «Змейка»
42 Алгоритм корректировки траектории движения
5 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ
51 Управление ориентацией робота
52 Управление продольным перемещением робота
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СНИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Копии дипломов Всероссийского научно-технического фестиваля молодежи «Мобильные роботы 2002»
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Программная реализация конечных автоматов в среде Matlab
ПРИЛОЖЕНИЕ В Программная реализация обучения нейронной сети в среде Matlab
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Программа для имитационного моделирования движения робота
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Копии дипломов победителя конкурса грантов СанктПетербурга для молодых ученых и специалистов

Введение:

Современные мобильные роботы являются сложными программнотехническими 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 проникновение прецизионное транспортных в задач, таких области вдоль как обход препятствий, пространства, криволинейных труднодоступные движений рабочего сложных выполнение 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, кусочнонепрерывных 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 унравления [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 системы, желаемого возлагается обработка сигналов, поступающих окружающей вычисление среды, от сенсорной определение текущей распознавание поведения состояния робота, отклонений 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 используются и при в объектно-ориентированном программировании программировании, игр и схем протоколов, 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 колесного и анализ в математических моделей мобильного координатах, робота задачно-ориентированных 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 движения робота. Методы исследования. Для методы получения теоретических результатов теории алгоритма корректировки траектории использовались дифференциальной геометрической 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 Matlab. Новизна научных результатов. 1. Разработана движением иерархическая мобильного структура системы управления решать робота, которая позволяет нетривиальные задачи управления в условиях неопределенности в задании траектории движения.Разработаны алгоритмы в среде ориентации с мобильного робота, световыми функционирующего программируемыми 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 мобильного движения. Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для построения систем управления автономными робота при отсутствии двухприводного траектории явнозаданной 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 J 226) по направлению «Поддержка интеграции науки V и высшей школы», поддержана персональными грантами J 2 М04-3.11К-327 N «Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных робототехнических комплексов», М05-3.11К-314 «Синтез алгоритмов управления движением двухприводного нечеткой логики» и JN2M06-3.ilК-173 мобильного робота на основе «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 ВОАС2006 (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.МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ Решение задачи проектирования современной системы управления колесного робота предполагает наличие адекватной математической модели, которая, с одной стороны, достаточно полно описывает поведение робота в процессе его передвижения в рабочем пространстве, с другой стороны, пригодна для осуществления процедуры синтеза алгоритмов управления. В этом отношении одинаково неприемлемы как примитивные модели, так и излишне сложные, применение которых для синтеза системы связано с непреодолимыми аналитическими сложностями. Как объект управления колесный робот является многоканальной существенно нелинейной динамической системой. Его математическое описание (модель движения) может быть получено с использованием уравнений Лагранжа или Ньютона-Эйлера, в которых силомоментные воздействия F, М производятся колесной системой. Последняя и определяет основные особенности моделей рассматриваемого класса роботов и их отличия от моделей движения твердого тела. Углы поворотов колес и векторы их линейных скоростей оказываются взаимосвязанными, т.е. основные подчиняются неголономным ограничениям, что и вызывает сложности анализа и синтеза колесных робототехнических систем. Состояние любой механической системы описывается определенным минимальным набором координат. Введение дополнительных связей между координатами системы уменьшает число ее степеней свободы. Связь, налагающая ограничения на скорости точек и тел системы, то есть устанавливающая между этими скоростями определённые соотношения, называется кинематической. Кинематические связи, не сводящиеся к геометрическим, называются неголономными, а механические системы с такими связями неголономными системами [32]. Если все связи являются геометрическими (голономными), то есть налагающими ограничения только на положения (или перемещения за время движения) точек и тел системы, но 10 не на величины их скоростей, то это обстоятельство учитывается нутем введения координат, непосредственно соответствующих реальному числу степеней свободы. Однако при наличии в уравнениях связей неголономных ограничений такой выбор координат невозможен. Уравнения неголономных связей нельзя использовать для уменьшения числа координат, поэтому при наличии таких связей неизбежно приходится пользоваться координатами, которые не все являются независимыми. Примером неголономной системы является шар, катящийся без проскальзывания по шероховатой плоскости. При этом налагается ограничение не только на положение центра шара (геометрическая связь), но и на скорость точки его касания с плоскостью, которая в любой момент времени должна быть равна нулю (кинематическая связь, не сводящаяся к геометрической). Другой пример дают связи, налагаемые на управляемое движение. Папример, если на движение точки налагается условие, что ее скорость в любой момент времени должна быть направлена в другую движущуюся точку, то это условие к какой-нибудь зависимости между координатами не сводится, и связь является неголономной. В робототехнике наиболее широко распространенными примерами неголономных систем являются мобильные роботы [56]. С точки зрения теории управления, наличие неголономных связей препятствует планирования использованию и стандартных алгоритмов в моделирования, частности, для управления, разработанных, манипуляционных роботов [39, 84, 86]. Поэтому проблема планирования и управления движением мобильных колесных роботов по-прежнему остаются актуальной. Задачей данного