№ 48 (712) 13–19 декабря 2017 года
06
«ОБОРОНКА»
НАВИГАТОРЫ НОВЫ
УЗКИЕ МЕСТА
И ХОДОВЫЕ
АЛГОРИТМЫ
Владимир
МОИСЕЕНКО,
кандидат
технических наук,
ОАО «СКБ ПА»
(Ковров)
Применение дистанционно управляемых мобильных
наземных роботов ограничивает возможности их исполь-
зования длиной кабеля или зонами прохождения радио-
сигнала. Решение задачи автономного движения позволи-
ло бы существенно расширить возможные области при-
менения.
Основная проблема – установление местоположения
робота. Существующие навигационные системы позволя-
ют с достаточной точностью определять их нахождение на
открытой местности (спутниковые навигационные систе-
мы), в населенных пунктах, зданиях (одометрические и
инерциальные системы). Однако данных, полученных
таким образом, может быть недостаточно для проезда по
узким коридорам и улицам.
Наличие на борту телевизионной системы в принципе
позволяет задать позиционирование относительно окру-
жающих предметов с достаточно высокой точностью. В
настоящее время используются два принципиально раз-
ных подхода: геометрический и семантический. При пер-
вом – на изображении выделяются характерные точки,
относительно которых и производится позиционирова-
ние. Во втором – наблюдаемые объекты распознаются с
определением их положения и границ. Очевидно, что
такой подход существенно сложнее в реализации, но об-
ладает значительно большими возможностями для авто-
номного управления.
Движение может происходить в детерминированной и
недетерминированной средах. В первом случае до его на-
чала прокладывается маршрут, исключающий столкнове-
ние с местными предметами (по коридорам, улицам, до-
рогам и т. д.). Во втором он строится в процессе движения.
Рассмотрим возможность создания условий позицио-
нирования на основе телевизионной системы робота с ис-
пользованием геометрического подхода. Будем считать,
что он движется в плоскости горизонта.
На рисунках показаны исходные и обработанные сово-
купностью фильтра Собела и медианного фильтра изобра-
жения коридора и улицы с перекрестком. Как видим, на
них достаточно вертикальных линий (по сути меток на
плоскости), позволяющих осуществить позиционирова-
ние робота. Очевидно, программная траектория движе-
ния должна располагаться на некотором безопасном рас-
стоянии от стен и проходить вдоль них. Ее можно задать
в обобщенных координатах, однозначно определяющих
положение его при движении.
Результаты моделирования показывают, что построен-
ная траектория после проезда мерного участка существен-
но отличается от программной. Необходимо введение
корректирующей величины.
По результатам моделирования можно сделать вывод
о возможности построения визуальной системы позицио-
нирования робота при движении по коридорам и узким
улицам по алгоритмам, обеспечивающим заданное рас-
стояние от стен или обочины и исключающим столкнове-
ние или сваливание. Выбор коэффициентов обратной
связи регулятора для реального робота будет определять-
ся его динамическими характеристиками.
Данный алгоритм обладает достаточной простотой,
чтобы решаться в управляющей системе мобильного ро-
бота. При известных координатах перекрестков такой
метод позиционирования используется и для коррекции
одометрической навигационной системы.
СМОТРИНЫ
Участники конференции в Суздале взглянули в глаза робота и прочитали его мысли
III всероссийская научно-техническая
конференция «Навигация-2017» стала
заметным событием в научной жизни
страны. Об этом говорят круг поднятых
проблем, состав участников, уровень
докладов, отклики в СМИ. Обсуждались
перспективы развития систем навигации
и топопривязки, управления движением.
Некоторые сообщения не были
рассчитаны на широкую аудиторию,
но из песни, как говорится, слова
не выкинешь.
Анастасия ЛЕКАРЕВА,
ФГБОУ ВО
«ВлГУ им. А. Г. Столетовых»
(Владимир)
Одной из основных проблем теории
автоматического управления динамиче-
скими объектами является решение дан-
ной задачи в условиях априорной неопре-
деленности параметров их математиче-
ских моделей. В этом случае проектируе-
мая система управления (САУ) должна
обеспечивать слежение за эталонным сиг-
налом с заданной точностью.
Выделяются два основных принципа
построения САУ, позволяющих выполнить
условия при наличии внешних возмуще-
ний. Первый состоит в выборе структуры
системы и параметров управляющего
устройства таким образом, чтобы обеспе-
чить полную или частичную нечувстви-
тельность к нежелательным внутренним и
внешним воздействиям. Второй основан
на динамической компенсации возмуще-
ний, при котором подавление их влияния
осуществляется с помощью сформирован-
ного соответствующим образом управляю-
щего воздействия.
Существуют следующие основные
классы технологических объектов траек-
торного типа и задачи управления ими:
1. Робототехнические системы. А
именно: производственные роботы, реа-
лизующие основные технологические
операции, такие как сварка, гибка, окра-
ска, сборка, резка и т. д.; вспомогательные
(подъемно-транспортные) манипуляторы;
универсальные роботы. Задача управле-
ния данными объектами, как правило, со-
стоит в поддержании точности отработки
программной траектории движения с обе-
спечением требуемого вектора усилий.
При этом необходимо парировать нео-
пределенные внешние возмущения.
2. Промышленные станки с развязан-
ными по управлению координатными
приводами.
3. Автономные транспортные системы.
4. Специализированные мобильные
робототехнические комплексы.
В последнем случае объединены мо-
бильный и технологический роботы.
Управление такими объектами состоит
из двух последовательно соединенных
взаимосвязанных подсистем, работаю-
щих в условиях возмущения со стороны
внешней среды. При этом первая подси-
стема управления (мобильным роботом)
формирует воздействия, подлежащие па-
рированию и стабилизации. Координат-
ные колебания корпуса являются управ-
ляющими и порождающими возмущаю-
щие воздействия для второй подсистемы
управления (технологическим манипуля-
тором).
Реализация модифицированной формы
инвариантности с использованием мето-
дов самонастройки исключает необходи-
мость определения производных от возму-
щающего воздействия. Формирование
корректирующих поправок для закона
управления выполняется методом после-
довательных приближений в функции
ошибки, пропорциональной дополнитель-
ному неопределенному возмущению. Рас-
сматриваемый метод динамической кор-
рекции можно назвать комплементарным.
Выделяются два способа реализации
дополнительного управления. Первый
подразумевает введение автономной до-
полнительной составляющей. Второй со-
стоит в коррекции задающего воздей-
ствия на стадии его формирования в
устройстве.
Вне зависимости от способа разложе-
ния заданной геометрической траектории
на управляющие функции (независимые
или параметрические) одна из координат
может рассматриваться как аргумент, а
другая как его функция. Это дает возмож-
ность формирования дополнительных со-
ставляющих в различных вариантах:
– в каждом канале;
– введение дополнительной составля-
ющей в канале координаты-функции
(координата-аргумент без изменения);
– выделение дополнительного возму-
щения в одном канале и введение допол-
нительного управления в другом (пере-
крестная коррекция).
Согласно проведенным исследованиям
оба метода обладают примерно одинако-
выми точностными показателями, но кор-
рекция, выполняемая на программном
уровне и не затрагивающая свойств вну-
треннего контура системы, предпочти-
тельнее.
Работа представленных алгоритмов
рассматривалась на примере двух клас-
сов систем траекторного типа: техноло-
гического манипулятора и автономного
мобильного робота. И в том, и в другом
случае в качестве дополнительного нео-
пределенного возмущения принималось
отклонение фактической траектории от
заданной.
В итоге можно сделать следующие
выводы:
1. В системах автоматического управ-
ления траекторными перемещениями
технологических объектов возмущение
может быть компенсировано четвертой
модифицированной формой инвариант-
ности.
2. Это условие четвертой целесо-
образно реализовать методами самона-
стройки, исключающими необходимость
получения производных от возмущаю-
щего воздействия.
3. Результаты исследования работы
контура коррекции на примере техноло-
гического манипулятора и мобильного
робота подтверждают целесообразность и
высокую эффективность его применения
в системах траекторного типа.
ОТВЕТ
НА ЗАКОННОЕ
ВОЗМУЩЕНИЕ
Николай ЯКОВЕНКО,
БГТУ «ВОЕНМЕХ»
им. Д. Ф. Устинова
В БГТУ «ВОЕНМЕХ» им.
Д. Ф. Устинова и АО «ИСС» им. ака-
демика М. Ф. Решетнева, которое
определено головной организацией в
РФ по разработке спутников для си-
стемы ГЛОНАСС, ведется совмест-
ная работа по созданию многостепен-
ных механизмов с параллельной ки-
нематикой для обеспечения точного
позиционирования и стабилизации
бортовых приборов и устройств кос-
мического назначения.
В частности, требуется обеспечить
наведение приемопередающих антенн
относительно спутника с погрешно-
стью в единицы микрон по трем ли-
нейным координатам, а также угло-
вое наведение с погрешностью в не-
сколько угловых секунд. После завер-
шения процессов наведения задать
длительное жесткое позиционирова-
ние антенн в заданном положении.
В настоящее время механизмы с
параллельной структурой использу-
ются в различных областях: подвиж-
ные симуляторы и параллельные ма-
нипуляторы, микро- и наноманипу-
ляторы. Такие механизмы имеют
множество конструктивных вариан-
тов – от широко известной платфор-
мы Стюарта до разнообразных кон-
струкций специальных роботов с
упругими элементами.
Объектом исследования является
цифровая система управления меха-
низмом с параллельной кинематикой
для применения в бортовых прибо-
рах наведения и ориентации космиче-
ской техники (гексапод) на основе
шести линейных приводов с шаговы-
ми двигателями.
Гексапод, реализованный по схеме
платформы Стюарта, состоит из не-
подвижного основания и подвижной
платформы, которые механически
связаны посредством шести иден-
тичных звеньев – ног (штанг, стоек).
Каждая выполняет функцию линей-
ного привода и выполнена из двух
полуштанг, соединяемых шарнира-
ми с основанием и платформой.
Шаговый двигатель в каждой ноге
формирует линейное перемещение
одной полуштанги относительно
другой. Оно реализуется за счет ме-
ханической передачи «редуктор –
винт – гайка» в конструкции ноги,
преобразующей вращение вала ша-
гового двигателя в поступательное
движение полуштанги.
В настоящее время на базе
научно-исследовательской лаборато-
рии робототехнических и мехатрон-
ных систем БГТУ «ВОЕНМЕХ» соз-
дан блок управления гексаподом
(БУГ). Он состоит из двух каналов.
В состав каждого входят следующие
модули и элементы, электрически
объединяемые жгутом и кросс-
платой: преобразователь сигналов
датчиков системы измерения поло-
жения платформы, преобразователь
сигналов датчиков углового положе-
ния, контроллер, усилитель, вторич-
ный источник питания, элементы
обеспечения теплового режима.
В экспериментальных образцах
системы управления гексаподом
предусматривается определение по-
ложения платформы с помощью
учета информации от датчиков:
– измерения положения платфор-
мы («пространственных»);
– углового положения вала элект-
родвигателя линейного механизма;
– температуры, распределенных
по линейному приводу и платформам
гексапода.
Все сигналы, предназначенные
для внешней коммутации, выводятся
на разъемы, устанавливаемые в кор-
пусе БУГ.
Основной задачей является отра-
ботка задающих воздействий в пози-
ционном режиме с точностью по де-
картовым координатам платформы
относительно основания ±10 мкм, по
угловым – ±30 угл. сек. Для удовлет-
ворения столь жестких требований
необходимо:
– получить оценку решения задач
кинематики в реальном времени;
– выработать рекомендации к
применению рассмотренных алго-
ритмов;
– изучить их реализуемость на оте-
чественной элементной базе.
Решение поставленных задач –
основная цель настоящего исследо-
вания.
Анализ показал, что скорость ре-
шения обратной задачи кинематики
существенно зависит от размера вы-
бранного стека. Так, например, при
значении 200 байт время расчета об-
ратной задачи кинематики увеличива-
ется до четырех раз. При решении
остальных задач увеличение стека до
предельно допустимого значения не
влияет на скорость исполнения.
При создании алгоритмов управ-
ления на основе решения обратной
задачи кинематики период дискрети-
зации может быть менее 1 мс, что
обеспечит сравнительно высокие ско-
ростные свойства проектируемому
изделию, а также возможность реали-
зации контурного (траекторного) ре-
жима управления гексаподом.
В будущем планируется развитие
алгоритмического и программного
обеспечения в направлении планиро-
вания траекторий, построения ком-
плексной системы управления линей-
ными шаговыми приводами и ориен-
тацией гексапода, создания адаптив-
ного оборудования для работы в
открытом космосе.
ВЕРНЫЕ ШАГИ В ОТКРЫТОМ КОСМОСе
Эскиз гексапода
