WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Баранов Дмитрий Николаевич РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫМИ РОБОТАМИ НА ОСНОВЕ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ И НЕЧЁТКОЙ ЛОГИКИ Специальность 05.02.05 Роботы, мехатроника и робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2008 г.

Работа выполнена на кафедре «Робототехника и Мехатроника» ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Подураев Юрий Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Манько Сергей Викторович кандидат технических наук, доцент Никишечкин Анатолий Петрович

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский технологический институт (ОАО “ЦНИТИ”)

Защита состоится « » июня 2008 г. на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу 127055, г. Москва, Вадковский пер., д. 3А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан « » мая 2008 года.

Учёный секретарь диссертационного совета:

к.т.н. Волосова М.А.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования:

Современные мобильные роботы предназначены для функционирования во вредных или опасных для человека условиях. Такие условия имеют место при выполнении технологических операций в экстремальных средах, ликвидации последствий аварий, при работе с взрывоопасными предметами.

Применение мобильных роботов в таких условиях позволяет исключить угрозу здоровью и жизни человека-оператора. Таким образом, актуальной является проблема создания мобильных робототехнических комплексов, обладающих развитыми способностями к самостоятельному передвижению и автоматическому выполнению поставленной задачи. Важную роль при этом имеет проблема создания интеллектуальной системы управления, позволяющей роботу автономно функционировать в неопределенной внешней среде при минимальном участии человека.

В настоящее время в большинстве случаев управление роботом осуществляет человек-оператор на уровне движений, при этом от человека требуется непрерывное наблюдение за роботом и оперативное управление его действиями. Такой подход определяется неспособностью робота принимать самостоятельные решения и имеет ряд недостатков. К ним можно отнести необходимость организации и постоянной поддержки канала связи с человеком-оператором (кабельная связь или радиосвязь), что существенно ограничивает область применения робота. При выполнении технологических операций оператор, получая от системы технического зрения информацию об объекте и процессе выполняемых работ, непрерывно осуществляет ручное управление исполнительными механизмами манипулятора и транспортного средства. Сложный процесс управления в сочетании с характером выполняемых работ, требующих повышенного внимания и осторожности, приводит к быстрой утомляемости оператора и, как следствие, увеличению вероятности ошибочных действий. Кроме того, человек не всегда может правильно оценить обстановку по данным телеметрии и осуществить адекватное управление. Указанных недостатков можно избежать, если управление со стороны человека-оператора будет проводиться не на уровне задания отдельных движений, а на уровне постановки цели. В этом случае робот должен самостоятельно (или при минимальном участии человека) выполнять поставленные задачи.

Актуальность темы исследования заключается в том, что предложенная в работе интеллектуальная система управления позволяет расширить функциональные возможности мобильных роботов и повысить эффективность выполняемых работ путем обеспечения их автономного выполнения в частично недетерминированных условиях.

Диссертационная работа основывается на результатах, достигнутых научными коллективами, руководство которыми осуществляли И.М.Макаров, С.Ф.Бурдаков, В.Г.Градецкий, С.Л.Зенкевич, И.В.Мирошник, Ю.В.Подураев, И.В. Рубцов, Я.Шомло, Е.И.Юревич, А.С.Ющенко.

Цель работы и основные задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка архитектуры, алгоритмического и программного обеспечения интеллектуальных систем управления мобильными роботами на основе метода нечёткой логики и следящей системы технического зрения для автономного выполнения поставленных задач.

В работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

• Разработка архитектуры и обобщённого алгоритма управления мобильными роботами на основе метода нечёткой логики и следящей системы технического зрения;

• Разработка метода обработки изображения, позволяющего мобильному роботу осуществлять слежение за двигающимися объектами в режиме реального времени;

• Разработка программного обеспечения, осуществляющего автономное управление движением мобильного робота, на основе метода нечёткой логики и следящей системы технического зрения;

• Экспериментальное исследование автономной работы предлагаемой системы, состоящей из подвижного объекта, мобильного робота и следящей системы технического зрения.

Методы исследования. При решении поставленных задач автором были использованы теория автоматического управления, теория дифференциальных уравнений, теория нечетких множеств, математические методы обработки цифровых изображений и метод нечёткой логики.

Разработка программных приложений велась с использованием технологии объектно-ориентированного программирования в средах Borland C++ Builder и Visual C++. Разработка низкоуровневых программ осуществлялась на языке Assembler. Исследование работоспособности разрабатываемых структур и алгоритмов проводилось путем математического моделирования с использованием математических пакетов Matlab, Simulink, FuzzyLogic ToolBox, языка C++ и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы. В работе получены и выносятся на защиту основные результаты, обладающие научной новизной:

• Архитектура системы и алгоритмы управления движением мобильных роботов, позволяющие осуществлять автономное управление на основе комбинации метода нечёткой логики и следящей системы технического зрения;

• Алгоритм работы и структура следящей системы технического зрения, позволяющая контролировать положение подвижного объекта в области прямой видимости системы;

• Метод обработки последовательности кадров потока видеоинформации, позволяющий отслеживать перемещение подвижных объектов в реальном времени.

Практическая ценность. Предложенная следящая система технического зрения способна решать широкий круг прикладных задач в автономных мехатронных и робототехнических системах, такие как мобильные и промышленные роботы, подводные и беспилотные летательные аппараты, автомобильные системы парковки, которые функционируют в условиях частичной неопределённости внешней среды.

Предложенная архитектура построения систем управления на базе следящей системы технического зрения и метода нечёткой логики может быть использована при создании интеллектуальных систем управления мобильными и промышленными роботами нового поколения с целью расширения их функциональных возможностей и областей применения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 18-й и 19-й научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» в Государственном Научном Центре ЦНИИ РТК (Санкт-Петербург) в 2007-2008 гг., на научных чтениях "Робототехника:

новые научные и практические разработки" в Учебном Научно-Техническом Центре «Робототехника» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2008г., на Международной молодежной научной конференции XXXIV "Гагаринские чтения" в Российском государственном технологическом университете им.

К.Э. Циолковского в 2008 г, на научных семинарах кафедры «Робототехника и мехатроника» МГТУ СТАНКИН.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в пяти печатных работах, в том числе в журнале «Мехатроника, Автоматизация, Управление».

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 222 печатных страниц, включая рисунки, графики, таблицы и список литературы. Библиография содержит 94 наименований, из них 17 иностранных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель диссертационной работы, определены задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость работы, кратко изложено содержание.

В первой главе, которая носит обзорный характер, рассматривается вопрос актуальности применения интеллектуальных методов управления для решения задач робототехники. Приводится обобщённая структура систем интеллектуального управления, и описываются её отличительные особенности относительно классических методов управления.

Рассматриваются принципы построения и особенности таких интеллектуальных методов как: экспертные системы, ситуационное управление, нейронные сети, ассоциативная память и нечёткая логика.

Приводятся примеры применения данных технологий для решения различных задач управления, в том числе и в робототехнике.

На основе проведённого анализа существующих интеллектуальных методов, для решения задачи управления робототехнической системой в частично недетерминированных условиях, принимается решение об использовании метода управления на основе нечёткой логики.

Во второй главе приводятся некоторые примеры задач робототехники, при рассмотрении которых мы сталкиваемся с системой, состоящей из следующих базовых элементов: подвижная мобильная база, подвижный рабочий орган и подвижный целевой объект. Такие системы обладают высокой неопределённостью, которая характеризуется наличием подвижного объекта, движение которого описать алгебраическими, дифференциальными или разностными уравнениями либо очень сложно, либо вовсе невозможно.

При решении задачи автономного интеллектуального управления мобильным робототехническим комплексом (РТК) относительно подвижного целевого объекта в качестве информационно-измерительной системы предлагается применять мехатронный модуль (ММ) на базе следящей системы технического зрения (ССТЗ). Данный модуль имеет две вращательные степени подвижности, что позволяет осуществлять слежение не только за счёт алгоритмов обработки последовательности видео кадров, а также за счёт перемещения поля зрения видеокамеры вслед за движущимся объектом слежения.

Разработана обобщённая структура построения системы управления робототехническими устройствами на основе следящей системы технического зрения и нечёткой логики (рис. 1). В начальный момент действия робототехнической системы оператор (либо система управления верхнего уровня) определяют целевой объект слежения и последовательность выполнения элементарных операций для каждого объекта.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЕРХНЕГО УРОВНЯ Интеллектуальный уровень БАЗА НЕЧЁТКИЙ ЗНАНИЙ РЕГУЛЯТОР Исполнительный уровень РЕГУЛЯТОР ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ Функциональное Возмущающие движение воздействия ВНЕШНАЯ СРЕДА/ ССТЗ ЦЕЛЕВОЙ ОБЪЕКТ Рис. 1. Обобщённая структура системы управления робототехническими системами на основе метода нечёткой логики и ССТЗ Нечёткий регулятор в соответствии с заданной операцией и соответствующим набором продукционных правил из базы знаний выполняет необходимые действия.

В главе приводятся варианты расположения модуля ССТЗ в комплексе с мобильными и промышленными роботами, рассматриваются их характерные особенности.

В соответствии с предложенной структурой (рис. 1) разработан пример системы управления мобильным РТК на основе нечёткой логики и ССТЗ.

Основной задачей разработанной системы является автономное слежение за подвижным целевым объектом. Для обеспечения функций автономного управления движением мобильного робота был разработан нечёткий регулятор (рис. 2), состоящий из двух частей: нечёткого контроллера линейной скорости и нечёткого контроллера угловой скорости.

Входными сигналами нечёткого регулятора являются дистанция d между роботом и подвижным целевым объектом и угол – угол между направлением движения мобильного робота и прямой, определяющей дистанцию между роботом и подвижным целевым объектом. Выходными – линейная V и угловая скорости движения мобильного робота.

Нечёткий контроллер линейной скорости Нечёткий Vd V accel d контроллер du/dt ускорения Нечёткий контроллер угловой скорости Рис. 2. Нечёткий регулятор Для того, чтобы удерживать некоторое фиксированное положение относительно подвижного объекта, необходимо, чтобы скорости движения робота и объекта были одинаковые, т.е. скорость движения робота относительно объекта должна быть равна нулю. Контроллер должен сам устанавливать необходимую скорость движения робота и изменять её в соответствии с изменением скорости объекта. Поскольку в каждый момент времени нам известна дистанция между роботом и объектом, можно рассчитать скорость движения робота относительно подвижного целевого объекта. Таким образом, задача управления линейной скоростью движения робота сводится к задаче регулирования ускорения (рис. 2).

Функции принадлежности нечёткого контроллера ускорения представлены на рис. 3, нечёткого контроллера угловой скорости на рис. 4.

Нечёткий логический вывод осуществлялся по методу Мамдани, при этом для нечёткого контроллера линейной скорости и нечёткого контроллера Рис. 3а. Функции принадлежности нечёткого множества входной лингвистической переменной Vd, б – выходной лингвистической переменной accel Рис. 4а. Функции принадлежности нечёткого множества входной лингвистической переменной, б – выходной лингвистической переменной угловой скорости было составлено по пять продукционных правил.

Pages:     || 2 | 3 |






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