WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

ЗАСЕД Вера Валерьевна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ МАРШРУТИЗАЦИИ ВНУТРИЦЕХОВЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальности:

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

05.02.05 – Роботы, мехатроника и робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2007

Работа выполнена на кафедре

”Основы конструирования оборудования”

Московского государственного университета

инженерной экологии

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор

Гданский Николай Иванович

Кандидат технических наук, доцент

Мальцевский Владислав Васильевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Смирнов Владимир Николаевич,

Московский государственный университет инженерной экологии

Кандидат технических наук, доцент

Шаныгин Сергей Витальевич,

Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики

Ведущая организация:

ОАО НПО «ХИМАВТОМАТИКА»

Защита состоится ____25 октября_____2007 г. в _14.00_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии, по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

Автореферат разослан ”_25_”__сентября_2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Мокрова Н.В.

к.т.н., доцент

- 1 -

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность темы. В настоящее время на химических предприятиях осуществляется множество технологических процессов, в которых продолжительность основных операций сопоставима с длительностью погрузочно-разгрузочных и вспомогательных работ. Так же современное состояние химико-технологических производств ха­рактеризуется частой сменой номенклатуры и объемов выпускаемой продукции, варьированием сырья. Готовая продукция и сырье химических производств могут быть ядовитыми, токсичными, легко- и трудносыпучими, пылящими и непылящими, способными образовывать с воздухом взрывоопасную смесь, горючими и негорючими, обладать мутагенными и канцерогенными свойствами, коррозионной активностью. Для ликвидации тяжелого физического труда на вспомогательных операциях, особенно во вредных и особо опасных условиях необходимо использовать автоматизированные системы.

Одним из основных элементов внутризаводской перевозки грузов являются межучастковые и межцеховые перемещения по схемам. В настоящее время эти пере­мещения в большинстве случаев осуществляются различными машина­ми напольного транспорта, управлением которых занято большое коли­чество рабочих.

Супервизорное управление не является оптимальным вследствие того, что человек может допускать ошибки и имеет более низкую скорость реакции, чем автоматизированная система.

Анализ современных систем показывает, что оптимальным вариантом для выполнения данных функций является применение транспортных систем на основе мобильных роботов.

В последнее время на внутри- и межцеховых перемещениях грузов все большее применение находят напольные безрельсовые роботы-штабелеры, выполняющие без водителя транспортные и погрузочно-разгрузочные операции по заданной программе в автоматическом цикле. С их помощью осуществляют транспортировку грузов по горизонтали в пространственных цехах, загружают и разгружают сборочные линии, встраиваются в производственные процессы, служат в качестве мобильного рабочего места, соединяют в единую цепь стан­ки, загружают и разгружают склады и соединяют их с другими участка­ми производства.

По способу организации перемещения мобильных роботов в системах периодического действия можно выделить два основных типа: траекторно детерминированные и траекторно недетерминированные.

К первому относятся рельсовые системы, канатные и монорельсовые подвесные системы, также внешние среды с плотным размещением объектов, в которых движение возможно только в ограниченных

- 2 -

проемах между ними. При планировании перемещений в таких системах задачу маршрутизации можно свести к перебору некоторого конечного набора траекторий. Недостатком таких систем является малая гибкость, сложность установки и переналадки системы, ее малая универсальность.

Ко второму типу относятся системы, имеющие значительные свободные пространства для перемещения по ним напольных колесных, гусеничных или шагающих мобильных роботов. При этом множество возможных траекторий движения заранее не определено. Такие системы являются более перспективными, потому что обеспечивают большую гибкость, универсальность, интеллектуализацию.

Решение задачи автоматизированной маршрутизации позволяет существенно повысить производительность и рентабельность химических производств, устранить человека из зоны влияния неблагоприятных экологических факторов, сопутствующих данным производствам.

1.2 Цель работы. Работа посвящена разработке практически значимых методов моделирования траекторно недетерминированной среды и маршрутизации мобильных роботов в системах автоматизации транспортных операций химических производств.

1.3 Методы исследования. В теоретических исследованиях приме­нены методы аналитической геометрии, ли­нейной алгебры, геометрического моделирования, а также теории оптимизации. Программное обеспечения разра­ботано на языке C++ с использованием среды объектно-ориентированного программирования MS Visual C++.

1.4 Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Для автоматизации внутрицеховых транспортных операций предложен векторный метод построения плоских математических моделей мобильного робота и окружающей его траекторно недетерминированной среды, позволяющий более адекватно и быстро моделировать внешнюю среду.

2. Впервые разработан комплекс эффективных алгоритмов построения приближенных моделей объектов внешней среды, позволяющий значительно ускорить процесс управления транспортным мобильным роботом в условиях траекторной недетерминированности.

3. Создана система алгоритмов решения задач геометрического взаимодействия математических моделей мобильного робота и объектов окружающей его среды цехового пространства.

4. Дана постановка задачи поиска квазиоптимальной опорной ломаной движения мобильного робота и разработан двухэтапный алгоритм ее решения для плоской векторной модели траекторно недетерминированной окружающей среды.

- 3 -

1.5 Практическая значимость

1. Разработанные методы моделирования внешней среды и алгоритмы маршрутизации мобильного робота обладают достаточной универсальностью и применимы на любых видах химических производств, где автоматизация межучастковых транспортных операций существенно повышает рентабельность.

2. Программное обеспечение, разработанное для анализа информации об объекте автоматизации и расчету оптимальных путей перемещения мобильных роботов, позволяет быстро внедрить разработанный комплекс алгоритмов в реальных производственных условиях.

3. Применение результатов исследования и разработанных комплексов программ при проектировании химических производств запланировано в ООО «Гипрохим» в 2008-2009 г.

4. Результаты исследования также внедрены в учебный процесс МГУИЭ на кафедре «Основы конструирования оборудования» при проведении лабораторных работ по дисциплине «Робототехника и робототехнические системы».

1.6 Апробация работы Результаты работы были представлены на конференциях: II и IV Международные научно-практические конференции «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (Москва, 2005 и 2007), Седьмой международный симпозиум «Интеллектуальные системы» (Краснодар, 2006 г.), «Научная сессия ТУСУР -2006» (Томск, 2006 г.), на Всероссийских выставках научно-технического творчества молодежи НТТМ-2005 и НТТМ-2006.

1.7 Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, 2 из которых в рецензируемых журналах ВАК, получено 2 патента РФ.

1.8 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Полный текст диссертации содержит 127 страниц, 80 рисунков и 4 приложения.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, обозначены цели и задачи исследования, описаны результаты работы, составляющие научную новизну и практическую значимость.

В первой главе диссертации приведен подробный обзор литературы по теме автоматизации процессов транспортировки на химических производствах, рассмотрено существо задачи маршрутизации, классификация систем маршрутизации, их место в системах управления мобильными роботами (МР).

Под маршрутизацией понимают автоматизированное геометрическое моделирование опорной траектории движения мобильными роботами (МР) в пространстве или на плоскости. Исходная информация об окружающей среде в автоматизированных системах представляется

- 4 -

моделями, а алгоритмы решения задач представляются в виде программ.

Современная автоматизированная многокомпонентная система управления МР имеет, как правило, сложную многоуровневую систему управления. Задача маршрутизации относится к верхнему уровню управления. Практически она решается совместно системами формирования модели внешней среды и планирования движения, а также при участии навигационной системы и картографической базы данных.

Выполнен обзор автоматизированных транспортных систем, используемых на современных химических производствах.

По способу организации перемещения в системах периодического действия выделены траекторно детерминированные и траекторно недетерминированные системы. В обзоре проведен анализ недостатков траекторно детерминированных транспортных систем, к которым относятся негибкость, неуниверсальность, сложность установки и размещения на производстве.

Показано, что наиболее перспективными являются траекторно недетерминированные среды. Преимуществами этих систем являются простота оснащения, установки, изменения системы управления, простота модернизации.

Рассмотрены общие требования к математическим моделям, используемым в задачах оптимизации. Более подробно проанализированы модели внешней среды и методы планирования движения с их использованием.

Анализ показывает, что:

1. Для выполнения реальных производственных транспортных задач достаточным является моделирование объекта автоматизации в виде плоских геометрических моделей.

2. В настоящее время более перспективными являются недетерминированных среды.

3. Для траекторно недетерминированных сред наиболее эффективным с точки зрения описания геометрических характеристик объектов, экономии занимаемой памяти ЭВМ и ее вычислительных ресурсов является способ построения плоской модели внешней среды с помощью замкнутых контуров.

4. Данный способ задания внешней среды требует разработки новых подходов к моделированию, а также к построению оптимальных опорных ломаных движения МР.

На основе выполненного анализа в работе поставлены следующие задачи.

1. Разработка математических и программных представления плоской модели внешней среды с помощью замкнутых контуров для авто-

- 5 -

матизации процесса сбора и обработки информации об объекте управления.

2. Разработка методов построения расширенной модели внешней среды и робота, необходимой для эффективного решения задач построения оптимальных траекторий движения МР.

3. Создание алгоритмов решения задач геометрического взаимодействия математических моделей мобильного робота и объектов окружающей его среды цехового пространства.

4. Разработка математического и программного обеспечения для построения оптимальных опорных ломаных движения МР.

Во второй главе изложен общий метод представления плоских векторных моделей объектов среды, позволяющий наряду с геометрическими задавать и иные дополнительные их свойства. Также рассмотрены приближенные модели объектов и рассмотрены алгоритмы их построения.

Плоские объекты внешней среды предложено моделировать в виде замкнутой ломаной, вершины которой заданы декартовыми координатамиPj = (хj, уj),(j = 1,…, n). Для более адекватного отображения свойств реальных моделируемых объектов предложено задавать в общем случае звеньям ломаной (Pj Pj+1),(j = 1,…, n) некоторые свойства

при помощи дополнительного целочисленного массива L длины n.

Наиболее актуальной задачей при анализе взаимного расположения плоских объектов является выяснение их пересечения. Для исходных моделей, представляющих собой ломаные произвольного вида такая проверка представляет собой довольно трудоемкую задачу. Поэтому для упрощения и ускорения работы алгоритмов наряду с уточненными моделями целесообразно использовать различного рола приближенные модели плоских объектов в виде простых геометрических фигур. Наиболее просто проверки пересечений выполняются с использованием приближенных моделей в виде прямоугольников со сторонами, параллельными осям координат, кругов и выпуклых многогранников (полигонов). Данные модели будем называть прямоугольными, круговыми и полигональными.

Классификация геометрических моделей плоских объектов представлена на рис. 1.

Вписанные и описанные приближенные модели одного типа для заданного исходного контура объекта можно строить различным образом, поэтому в работе предложен критерий оптимальности приближенных моделей, базирующийся на использовании величин площадей плоских фигур, ограниченных их контурами. У вписанных приближенных моделей площадь S(Prвп) всегда не превышает площадь исходного модели

- 6 -

объекта S(К): S(Pr вп) S(К). У описанных моделей, наоборот, площадь S(Pr оп) всегда не меньше S(К): S(Pr оп) S(К).

Рис. 1. Классификация геометрических моделей плоских объектов

Для единообразия критерия оценки качества приближенных моделей (К,Pr) предложено использовать две формулы:

(К,Pr вп) = S(Pr вп) / S(К), (1)

(К,Pr оп) = S(К) / S(Pr оп). (2)

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.