Методы повышения быстродействия и точности систем навигации и управления движением автоматических робототехнических средств

THE MODEL OF THE FORMAL GRAMMAR OF THE PLACE AND DIRECT ADDITIONS AND THE POSSIBILITY OF ITS USE IN ARTIFICIAL INTELLIGENCE SYSTEMS Yasulova H.S.

Dagestan State Pedagogical University

Abstract

The article deals with the problem of automatic recognition of natural language constructions. communication between a person and a computer in a natural language. An approach based on the representation of the human-machine system in the form of two information objects is proposed, with the condition of giving them such properties that each of them is able to detect and repeat the actions of the other. In the article, the action refers to mechanical actions or the operation of the processor in the computer. The sentence of the natural language fulfills the role of the signal. For the signals to be accessible to both the person and the computer, the syntax of finite automata is considered as the syntax that generates sentences of «human-machine language». The article deals in detail with the grammar that generates the circumstances of a place in a simple sentence. These properties can be laid when creating an artificial intelligence system.

Keywords:

mathematical model, computer model, count, network, morphology, syntax, semantics, phrase, parser, morphological analyzer, syntax models Date of receipt in edition: 22.07.18 Date of acceptance for printing: 25.07.18

УДК 531.8

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ТОЧНОСТИ СИСТЕМ НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ АВТОМАТИЧЕСКИХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

И.В. Меркурьев, Е.В. Комерзан, О.В. Свириденко, Л.Р.Лабахуа Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Аннотация

В статье рассматриваеться задача построения интегрированной системы навигации и управления автономным колесным роботом-манипулятором, предназначенным для автоматического выполнения технологических операций в труднодоступных и стесненных условиях. Полученные уравнения движения мобильного робота-манипулятора использованы для построения оптимального по быстродействию управления движением. Построена информационно-вычислительная схема для оптимальной по Калману оценки состояния робота.

Ключевые слова:

Мобильный робот, интегрированная система навигации, управление автономным колесным роботом, уравнения движения мобильного робота. История статьи: Дата поступления в редакцию 13.08.18

Дата принятия к печати 19.08.18

Объектом исследований является мобильный робот-манипулятор с роликонесущими колесами, предназначенный для автоматизации сложных технологических процессов и операций, в том числе, выполняемых в недетерминированных условиях, для замены человека при выполнении тяжелых, уто-

мительных и опасных работ. Наличие роликонесущих колес позволяет перемещаться в стесненных условиях в любом направлении на плоскости.

Анализ существующих программных решений управления мобильным роботом показывает, что для управления движением робота используется каскадный подход, основанный на кинематической модели манипулятора и мобильной платформы. Управление приводом робота реализует программное кинематическое движение подвижных элементов робота с использованием пропорционально инте-гро-дифференциального регулятора в канале обратной связи. Недостатками указанного подхода является пренебрежение динамическими эффектами при движении робота. Кинематический способ организации движения не позволяет решать задачи оптимального по быстродействию и по энергозатратам управления движением, что приводит к уменьшению срока автономного функционирования робота, к увеличению времени переходных процессов и погрешностей при выполнении целевых задач.

В целях повышения точности робота-манипулятора поставлена задача оптимального по быстродействию согласованного управления движением мобильной колесной платформы и манипулятора при учете ограничений на силовые характеристики привода. Также поставлены задачи повышения точности навигации и управления движением автоматическим транспортным средством на основе комплексной обработки датчиков инерциальной и внешней измерительной информации, установленных на борту робота.

Актуальность поставленной задачи связана с выполнением научных исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Исследования направлены на развитие технологий, входящих в Перечень критических технологий по направлениям «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем».

1. Уравнения движения

Прототипом объекта исследования является мобильный робот-манипулятор KUKA, оснащённый роликонесущими колесами и многозвенным манипулятором (рис.1). На управляемом колесе робота установлены свободно вращающиеся ролики, оси которых расположены под углом 45 градусов к плоскости колеса. Особенностью роликонесущих колес является возможность перемещения мобильного робота в любом направлении на плоскости. Угловое и линейное движение корпуса робота определяется согласованным вращением четырех ведущих колес, при этом положение осей вращения ведущих колес не изменяется относительно корпуса. Управляющими воздействиями в системе являются напряжения, подаваемые на электродвигатели робота.

Для получения уравнений движения робота использованы методы неголономной механики в фор-

Г

ме уравнений Маджи. Уравнения движения мобильной платформы с манипулятором дополнены уравнениями электропривода ведущих колес и управляемых звеньев манипулятора. Полученные уравнения неголономной электромеханической системы используются для расчета движения платформы и звеньев манипулятора. Наличие избыточного числа электродвигателей робота позволяет оптимизировать движение схвата манипулятора с учетом ограничений на перемещения и характеристики привода.

2. Система автоматического управления

Рис. 1. Мобильный робот-манипулятор KUKA

Управление траекторным движением робота и комплексная обработка первичных измерительных сигналов датчиков и систем мобильного робота ведется в бортовом компьютере робота.

Для решения задач управления движения робота запишем уравнения мобильной платформы с роликонесущими колесами в форме конечноразностных уравнений

x

где x(k) — вектор состояния системы в момент времени tk, изменяющийся под действием управления u(k) и свойств динамической системы F ( x(k), u(k) ). Управляющими воздействиями в системе являются напряжения на электродвигателях робота, ограниченные максимально допустимой величиной. Учитывая изменяющуюся помехо-сигнальную обстановку мобильного робота, требуется провести расчет стратегии управления на конечное число N шагов по времени. В задаче наведения требуется обеспечить максимальное по быстродействию и точности совмещение прицельного устройства с движущейся мишенью. При траекторном движении мобильного робота необходимо построить следящую систему управления в форме обратной связи по оценке состояния.

Для решения задачи оптимального управления применен метод динамического программирования Беллмана, который позволяет определять оптимальное управление в форме обратной связи по компонентам вектора состояния. Динамическое программирование достаточно хорошо обосновано для дискретных процессов. Дискретность обусловлена квантованием по уровню и времени всех вычислительных процессов, а, следовательно, и дискретным характером сигналов на входе и выходе цифровой вычислительной системы мобильного робота.

Качество процесса управления оценивается функционалом J, характеризующим быстродействие и точность выполнения задачи:

N-1

J = Х h

к=0

где h — скалярная функция от компонентов вектора состояния и управления, например, для задачи оптимального быстродействия h=1; для задачи оптимального по энергозатратам управления h характеризует квадрат нормы управления; SN ( x(N) ) — скалярная функция, характеризующая стоимость конечного состояния. При оптимальном процессе управления функционал принимает минимальное (экстремальное) значение.

В соответствии с принципом оптимальности Беллмана движение оптимальной системы не зависит от предыстории, а определяется текущим состоянием системы и целью управления. На предпоследнем шаге N - 1 оптимальное управление u*N-1) зависит от текущего состояния системы x(N-1), уравнений системы и определяется из условия минимума частичной суммы h ( x(N-1), u(N-1) ) + SN ( x(N) ) в функционале :

SN_J

Таким образом, определяется и запоминается оптимальное управление u*N-1) ( x(N-1) ) в виде об-

ратной связи от вектора состояния х(^ ^. Наименьшее значение частичной суммы ^-1 (х(^ ^ ),

ueü :i

L(N-1} .

которое было определено на шаге N - 1, используется для расчета оптимального управления на шаге N - 2. В этом случае в рекуррентном уравнении Беллмана вместо N записывается N - 1.

Таким образом, вычисленное в обратном времени оптимальное управление u*k) (x(к) ) используется в контуре управления роботом. В отличие от программного управления, стратегия управления в форме обратной связи позволяет парировать ошибки из-за возмущений, действующих на систему.

3. Разработка программного обеспечения

Мобильная платформа и манипулятор управляются бортовым компьютером с операционной системой семейства Linux. Программное обеспечение бортового компьютера робота включает в себя низкоуровневые управляющие программы для сенсоров и двигателей, а также программные оболочки для разработки приложений для управления роботом на языках C++ и Python.

В целях участия в научно-техническом фестивале молодежи «Мобильные роботы» им. профессора Е.А. Девянина, в соревнованиях в области робототехнических систем по программам Eurobot и WorldSkills требуется разработка мобильных роботов и программного обеспечения, позволяющего выполнить достаточно сложный регламент соревнований. Одним из упражнений соревнований является максимально быстрое движение по контрастной полосе в заданной дорожной разметке. Для выполнения упражнения используется автоматическое распознавание дорожной разметки и максимальное по быстродействию управление движением.

Для пояснения рассмотрим принципиальную схему обработки видеосигналов системы стереозре-ния, размещенной на роботе. Сигналы с видеокамер, установленных на одном основании и имеющих пересекающееся поле зрения, обрабатываются в бортовом вычислителе в целях выделения контрастной полосы дорожной разметки. В простейшем случае это делается путем усреднения позиций всех найденных контрастных переходов в строках видеосигналов. Стратегия управления представляет собой заранее созданные массивы с кодовыми значениями управляющих сигналов, к которым обращается бортовой вычислитель по результатам обработки данных с видеокамер.

Рис. 2. Принципиальная схема обработки видеосигналов

4. Комплексная обработка первичной измерительной информации

В составе системы автоматического управления движением и навигации мобильного робота имеется набор датчиков для измерения углов поворота ведущих колес и звеньев манипулятора, комплект оптико-электронных и дальномерных устройств для анализа окружающей обстановки, навигационная система на базе микромеханических гироскопов и акселерометров для решения задач наведения и управления движением. Коррекция бесплатформенной инерциальной навигационной системы осуществляется по позиционной и скоростной измерительной информации, имеющейся на борту робота.

Учитывая, что при движении робота обновляется первичная измерительная информация датчиков робота, для оценки вектора состояния робота применим метод оптимальной фильтрации Калмана. Вычисленная в прямом времени, от начальной метки времени к последующей, оценка состояния использует всю имеющуюся на борту измерительную информацию с учетом уровня систематических и случайных помех в первичной информации. В отличие от известных функций вычисления траектории и скорости робота, применение избыточного числа датчиков и фильтрация случайных помех в измерениях позволяет повысить точность решения поставленных задач навигации и управления. Для повышения точности

измерений разработана методика стендовых испытаний измерительных датчиков мобильного робота, позволяющая на основе разработанной математической модели датчика оценить параметры математической модели и компенсировать систематические погрешности в измерениях.

Заключение

Рассматриваемый мобильный робот-манипулятор используется для решения прикладных задач в различных сферах деятельности, в том числе для выполнения операций в опасной или труднодоступной для человека среде.

Разработка программного комплекса управления мобильного роботом на основе методов неголо-номной механики, математического моделирования и автоматического управления позволяет существенно повысить точность выполнения целевых задач за счет комплексной обработки первичных измерительных сигналов датчиков робота и построения оптимального по быстродействию управления в виде обратной связи.

В отличие от кинематической схемы управления, учет динамических свойств управляемого робота позволяет повысить точность решения задачи управления движением и увеличить быстродействие системы.

Предложенная информационно-вычислительная схема мобильного робота используется в учебных целях для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Мехатроника и робототехника», а также для участия в международных робототехнических соревнованиях. На примере построенного аппаратно-программного комплекса могут быть решены задачи проведения теоретических и экспериментальных исследований для разработки новых образцов и совершенствования существующих робототехнических систем, их модулей и подсистем, поиск новых способов управления и обработки информации с применением методов теории оптимального управления и наблюдения, теории эксперимента и методов инженерного проектирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беллман Р., Калаба Р. Динамическое программирование и современная теория управления. М.: Наука, 1969. 118 с.

2. Мартыненко Ю.Г. Управление движением мобильных колёсных роботов // Фундамент. и прикл. матем., Т.11 №8 2005, С. 29-80.

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

4. Павловский В.Е., Алисейчик А.П. Методика исследования динамической комфортабельности движения многоколесного мобильного робота. М.: Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2010. № 84 27 с.

5. Павловский В.Е., Шишканов Д.В. Исследование динамики и синтез управления колесными аппаратами с избыточной подвижностью. М.: Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2006. № 12. 28 с.

6. Федоренко Р.П. Приближенное решение задач оптимального управления. М.: Наука, 1978. 486 с. Сведения об авторах

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

И.В. Меркурьев, Е.В. Комерзан, О.В. Свириденко, Л.Р.Лабахуа. Методы повышения быстродействия и точности систем навигации и управления движением автоматических робототехнических средств. — Системные технологии. — 2018. — № 28. — С. 99—104.

METHODS TO IMPROVE THE SPEED AND ACCURACY OF NAVIGATION SYSTEMS AND MOTION CONTROL OF AUTOMATIC ROBOTIC TOOLS I.V. Merkuriev, E.V. Komerzan, O.V. Sviridenko, L.R.Labahua

Abstract Keywords:

The article deals with the problem of constructing an integrated Mobile robot, integrated navigation system,

navigation and control system for an autonomous wheeled robot autonomous wheeled robot control, mobile

— a manipulator designed to automatically perform technological robot motion equations.

operations in hard-to-reach and constrained conditions. The obtained Date of receipt in edition: 13.08.18

equations of motion of the mobile robot manipulator are used for Date of acceptance for printing: 19.08.18

constructing the optimal control for the speed of movement control. An

information-computational scheme for the Kalman optimal estimation

of the state of the robot is constructed.

УДК 53. 09

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ZNO

А.Т. Темиров*, Д.А. Шаихов**, М.А. Магомедов**

*ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический университет»

*ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный медицинский университет»

Аннотация Ключевые слова:

В работе приводятся методы получения высокоомных пленок оксида проводимость, подложка, высоко-

цинка, а также рост сопротивления пленок в зависимости от степени омные пленки, сопротивление,

легирования. ориентация пленок, оксид цинка

История статьи:

Дата поступления в редакцию

17.07.18

Дата принятия к печати 21.07.18

Окись цинка является типичным полупроводниковым окислом с электронной проводимостью. Полупроводниковые окислы с электронной проводимостью характеризуются наличием избыточных ионов металла в междоузлиях, обеспечивающих низкое удельное сопротивление.

Методом возгонки порошка в атмосфере кислорода оксида цинка в закрытых кварцевых ампулах автору работы [1] удалось получить ориентированные слои 7и0 на подложках из А1203. При этом температура источника равнялась 700 0С, а температурный перепад между зонами тигля и подложки был 150 0С. Рентгенографическим анализом было установлено, что пленки 7и0 ориентировались па-