УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫМ ОБЪЕКТОМ Российский патент 2010 года по МПК G05D1/00 

Изобретение относится к системам управления и может быть использовано при разработке систем управления подвижными объектами, обеспечивающих их ориентацию и перемещение по заданной траектории с заданной траекторной скоростью, или в заданную точку по требуемой траектории без предъявления требований к траекторной скорости, или в заданную точку с нулевой конечной скоростью.

Известна структура устройства управления роботом [С.Ф.Бурдаков, Р.Э.Стельмаков, С.В.Штайнле. Синтез траекторий и управление мобильными роботами в условиях неопределенности. Материалы VIII научно-технической конференции "Экстремальная робототехника". Под научной редакцией проф. Е.И.Юревича. - СПб., изд-во СПбГТУ, 1997, 439 с. - с.198-209], которая предполагает наличие планировщика траекторий, блока датчиков информации, блока сенсорной поддержки, регулятора положения, регулятора скорости, блока адаптации, блока ограничений, блока кинематических преобразований блоков сравнения, расчетных блоков. Эта структура позволяет организовать движение по заданной траектории с заданной скоростью.

Признаками данного аналога, общими с заявляемым устройством, являются планировщик траекторий и блок датчиков информации.

Недостатком этого аналога является низкая точность планирования и отработки траектории, что обусловлено процедурой локальной аппроксимации сложных траекторий, вносящей погрешность в планирование, а следовательно, и в обработку траектории. Наличие блока кинематических преобразований для преобразования трансформации заданной траектории из пространства внешних координат в пространство непосредственно управляемых внутренних координат при сложной организации механической системы объекта управления вносит в эту трансформацию, а следовательно, и в отработку траектории дополнительную погрешность.

Известно устройство траекторного управления [П.Д.Крутько. Управление исполнительными системами роботов. - М.: Наука, главная ред. физ.мат.литературы, 1997, 336 с. - с.308-313], содержащее планировщик траекторий, блок решения обратной задачи кинематики, блок аппроксимации, блок интерполяции, блок регуляторов, блок датчиков информации, вычислительные блоки, перемножители и сумматоры. Это устройство позволяет обеспечить асимптотическую устойчивость объекта управления при отработке планируемых траекторий.

Признаками этого аналога, общими с заявляемым устройством, являются планировщик траекторий, блок датчиков информации, вычислительные блоки, сумматоры и перемножители.

Недостатками этого аналога являются низкая точность отработки заданной траектории и узкие функциональные возможности. Дело в том, что аппроксимация и интерполяция вносят существенную погрешность в планирование и отработку траектории. Кроме того, аппроксимация траектории осуществляется только отрезками и дугами окружностей, что существенно ограничивает функциональные возможности устройства. Следует отметить, что имеющая место в этом аналоге необходимость решения обратной задачи кинематики является дополнительным ограничением возможностей устройства, так как это решение связано со значительными трудностями и не всегда возможно в аналитической форме.

Наибольшим количеством признаков, совпадающих с признаками предлагаемого устройства, обладает устройство управления манипуляционным роботом, защищенное патентом РФ № 2146606, кл. G05B 11/10, G05B 25, G05J 13/10, 2000 г., принятое в качестве прототипа. Оно содержит планировщик траектории, три вычислителя матричных коэффициентов, вычислитель сигнала управления, блок транспонирования матриц, вычислитель решения прямой задачи кинематики, вычислитель якобиана решения прямой задачи кинематики, блок формирования вектора нелинейных элементов, блок формирования матрицы коэффициентов управления и блок датчиков информации.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются все перечисленные элементы, кроме вычислителя решения прямой задачи кинематики и вычислителя якобиана этого решения.

В данном устройстве вычисление матричных коэффициентов осуществляется на основе измерения обобщенных координат и их производных, что обеспечивает управление движением манипуляционного робота. На практике же зачастую возникает необходимость управления подвижным (мобильным) объектом. Эту функцию данное устройство реализовать не может.

Задачей, на решение которой направлено создание изобретения, является обеспечение возможности управления движением подвижного объекта.

Для достижения технического результата в устройство-прототип введены новые элементы и связи.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство управления, содержащее планировщик траектории, первый, второй и третий вычислители матричных коэффициентов, вычислитель сигнала управления, блок транспонирования матриц, блок формирования вектора нелинейных элементов, блок формирования матрицы коэффициентов управления и блок датчиков информации, в котором первый, второй, третий и четвертый выходы планировщика траектории соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами третьего вычислителя матричных коэффициентов, пятый и шестой выходы планировщика траекторий соединены соответственно с третьими и четвертыми входами первого и второго вычислителей матричных коэффициентов, первый вход второго вычислителя матричного коэффициента соединен со вторым выходом планировщика траектории, второй вход первого вычислителя матричного коэффициента соединен с шестым входом второго вычислителя матричного коэффициента, вход блока транспонирования матриц соединен с пятым входом третьего вычислителя матричного коэффициента, а выход - с его шестым входом и пятым входом второго вычислителя матричного коэффициента, седьмой вход третьего вычислителя матричного коэффициента соединен с четвертыми входами первого и второго вычислителей матричных коэффициентов, первый, второй и третий входы вычислителя сигнала управления соединены соответственно с выходом первого, первым выходом второго и выходом третьего вычислителей матричных коэффициентов, четвертый и пятый входы - с выходами соответственно блока формирования вектора нелинейных элементов и блока формирования матрицы коэффициентов управления, а выход - с управляющим входом исполнительного устройства управляемого объекта, введены второй блок транспонирования матриц, блок сенсорного обеспечения, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат и блок формирования вектора внешних скоростей, при этом первый и пятый входы первого вычислителя матричного коэффициента соединены соответственно со вторым и третьим выходами второго вычислителя матричного коэффициента, вход блока датчиков информации соединен с выходом исполнительного устройства управляемого объекта, механическая система управляемого объекта соединена непосредственно со входом блока датчиков информации, а через внешнюю среду - со входом блока сенсорного обеспечения, выход блока датчиков информации соединен с первым входом планировщика траекторий и первыми входами блоков формирования вектора нелинейных элементов и матрицы коэффициентов управления, матриц производных вектор-столбца внешних скоростей и вектора внешних скоростей, первый выход блока сенсорного обеспечения соединен со вторыми входами блоков формирования матриц -производных вектор-столбца внешних скоростей и вектора внешних скоростей, входом первого блока транспонирования матриц и вторым входом планировщика траектории, а второй выход блока сенсорного обеспечения соединен со входом второго блока транспонирования матриц, выход которого соединен со вторым входом первого вычислителя матричного коэффициента.

Кроме того, существенно изменены состав и структура вычислителей матричных коэффициентов и вычислителя сигнала управления.

Исследования заявленного технического решения по патентной и научно-технической литературе показали, что совокупность заявленных вновь введенных элементов и связей не поддается самостоятельной классификации. В то же время она не следует явным образом из уровня техники, поэтому предлагаемое устройство следует считать удовлетворяющим критерию "новизна" и имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:

- на фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства в совокупности с входящими в состав управляемого объекта исполнительным устройством и механической системой;

- на фиг.2 - структурная схема первого вычислителя матричного коэффициента;

- на фиг.3 - структурная схема второго вычислителя матричного коэффициента;

- на фиг.4 - структурная схема третьего вычислителя матричного коэффициента;

- на фиг.5 - структурная схема вычислителя сигнала управления.

Устройство управления подвижным объектом содержит планировщик 1 траектории, первый 2, второй 3 и третий 4 вычислители матричных коэффициентов, вычислитель 5 сигнала управления, первый 6 и второй 7 блоки транспонирования матриц, блок 8 датчиков информации, блок 9 сенсорного обеспечения, блок 10 формирования вектора нелинейных элементов, блок 11 формирования матрицы коэффициентов управления, блок 12 формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок 13 формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат и блок 14 формирования вектора внешних скоростей.

Первый, второй, третий и четвертый выходы планировщика 1 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами вычислителя 4. Пятый и шестой выходы планировщика 1 соединены соответственно с третьими и четвертыми входами вычислителей 2 и 3. Первый и второй входы вычислителя 3 соединены соответственно со вторым и третьим выходами планировщика 1, первый вход которого соединен с выходом блока 8 и первыми входами блоков 10, 11, 12, 13 и 14, а второй - с первым выходом блока 9, входом блока 6, вторыми входами блоков 12, 13 и 14 и пятым входом вычислителя 4. Выход блока 6 соединен с шестым входом вычислителя 4 и пятым входом вычислителя 3. Вход блока 7 соединен со вторым выходом блока 9, а выход - с шестым входом вычислителя 3 и вторым входом вычислителя 2, первый и пятый входы которого соединены соответственно со вторым и третьим выходами вычислителя 3.

Выход вычислителя 2, второй выход вычислителя 3 и выход вычислителя 4 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами вычислителя 5, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой входы которого соединены с выходами блоков 10, 11, 12, 13 и 14 соответственно. Выход вычислителя 5 соединен со входом управления входящего в состав управляемого объекта исполнительного устройства 15, выход которого соединен со входом блока 8 и входом входящей в состав управляемого объекта механической системы 16, которая через внешнюю среду 17 соединена со входом блока 9.

Вычислитель 2 содержит регистр 18, блок 19 умножения на два, перемножитель 20, сумматор 21, регистр 22 и перемножитель 23. Выход регистра 18 соединен с первым входом перемножителя 20, второй вход которого соединен с выходом блока 19, соединенного своим входом со вторым входом вычислителя 2. Первый вход сумматора 21 соединен с выходом перемножителя 20, второй вход - с пятым входом вычислителя, а выход - со вторым входом регистра 22, первый вход которого соединен с первым входом вычислителя, а выход - с первым входом перемножителя 23. Второй и третий входы перемножителя 23 соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислителя, а выход - с его выходом.

Вычислитель 3 содержит блоки 24 и 25 умножения на два, перемножители 26, 27, 28 и 29, регистр 30 и сумматоры 31, 32 и 33. Первый вход вычислителя соединен с первыми входами перемножителей 26 и 27, вторые входы которых соединены с выходами блоков 24 и 25 соответственно, соединенных своими входами с шестым и пятым входами вычислителя соответственно. Первый вход регистра 30 соединен с выходом перемножителя 26, второй заземлен, а выход соединен с третьим входом перемножителя 28, первый вход которого соединен с первым входом сумматора 32 и четвертым входом вычислителя, а выход - со вторым входом сумматора 33. Первый вход сумматора 31 соединен со вторым входом и третьим выходом вычислителя. Второй - с выходом перемножителя 27, а выход - со вторым выходом вычислителя и первым входом перемножителя 29, второй вход которого соединен с выходом сумматора 32. Первый вход сумматора 33 соединен с выходом перемножителя 29, а выход - с первым выходом вычислителя.

Вычислитель 4 содержит перемножители 34, 35, 36 и 37, сумматор 38, инвертор 39, регистр 40 и блок 41 транспонирования матриц. Первый, второй и третий входы перемножителя 34 соединены соответственно со вторым, пятым и шестым входами вычислителя, а выход - с первым входом сумматора 38. Первый вход перемножителя 35 соединен с пятым входом вычислителя, второй - с третьим входом вычислителя, а выход - со вторым входом сумматора 38.

Входы перемножителя 36 соединены с первым входом вычислителя, а выход - со входом инвертора 39. Выход инвертора 39 соединен со вторым входом регистра 40, первый вход которого заземлен, а выход соединен со входом блока 41 транспонирования матриц. Первый и второй входы перемножителя 37 соединены соответственно с выходом блока 41 и седьмым входом вычислителя, а выход - с четвертым входом сумматора 38, третий вход которого соединен с четвертым входом вычислителя, а выход является выходом вычислителя.

Вычислитель 5 содержит перемножители 42, 43, 44, 45 и 46, сумматоры 47 и 48 и блок 49 обращения матриц. Первый вход вычислителя соединен с первыми входами перемножителей 42, 43 и 44. Второй вход перемножителя 42 соединен со вторым входом перемножителя 43 и шестым входом вычислителя, третий вход - с пятым входом вычислителя, а выход - со входом блока 49. Третий вход перемножителя 43 соединен с четвертым входом вычислителя, а выход - с первым инверсным входом сумматора 48. Второй вход перемножителя 44 соединен с седьмым входом вычислителя, а выход - с первым входом сумматора 47, второй вход которого соединен со вторым входом вычислителя 3, а выход - с первым входом перемножителя 46. Второй вход перемножителя 46 соединен с восьмым входом вычислителя, а выход - со вторым инверсным входом сумматора 48, третий инверсный вход которого соединен с третьим входом вычислителя. Первый вход перемножителя 45 соединен с выходом блока 49, второй - с выходом сумматора 48, а выход является выходом вычислителя.

Работа устройства управления заключается в следующем.

Сформированный вычислителем 5 управляющий сигнал U поступает на управляющий вход исполнительного устройства 15 управляемого объекта (порядок формирования управляющего сигнала будет изложен ниже). Устройство 15 и подключенные к его выходу механическая система 16 и блок 8 датчиков отрабатывают этот сигнал. Блок 8 осуществляет измерение внутренних координат робота (углов поворота руля, ведущих колес и т.д.). На его выходах формируется вектор Z внутренних координат размерностью "n", который поступает на первый вход планировщика 1 траекторий и входы блоков 10, 11, 12, 13 и 14. С выхода механической системы 16 через внешнюю среду результаты отработки поступают на вход блока 9 сенсорного обеспечения. Этот блок осуществляет измерение внешних координат объекта управления - координат его центра тяжести и ориентации корпуса. На первом выходе блока 9 формируется вектор Y внешних координат объекта управления размерностью "m". Размерность m удовлетворяет условию n≤m≤6. На втором выходе блока 9 формируется вектор ^* производной вектора Y, причем только для тех значений * вектора Y, которые являются координатами центра тяжести объекта управления. Координаты вектора Y с первого выхода блока 9 поступают на второй вход планировщика 1 и на вход блока 6, а те из значений Y*, которые являются координатами центра тяжести объекта управления, поступают, кроме того, на входы блоков 12, 13, 14 и на пятый вход вычислителя 4.

Планировщик 1, представляющий собой управляющую вычислительную машину, под действием управляющих сигналов Z и Y формирует на своих выходах следующие управляющие сигналы:

- траекторная (контурная) скорость V_K объекта управления;

- матрицы N_1j, N_2j и N_3j квадратичных форм от внешних координат,

где ;

- диагональные матрицы С и А постоянных коэффициентов размерностью n×n.

Сигнал V_K формируется на первом выходе планировщика 1 и поступает оттуда на первый вход вычислителя 4. Сигнал N_1j формируется на втором выходе планировщика 1 и поступает оттуда на первый вход вычислителя 3 и на второй вход вычислителя 4. Сигнал N_2j формируется на третьем выходе планировщика 1 и поступает оттуда на второй вход вычислителя 3 и третий вход вычислителя 4. Сигнал N_3j формируется на четвертом выходе планировщика 1 и поступает оттуда на четвертый вход вычислителя 4. Матрица С формируется на пятом выходе планировщика 1 и поступает оттуда на третьи входы вычислителей 2 и 3. Матрица А формируется на шестом выходе планировщика 1 и поступает оттуда на четвертые входы вычислителей 2 и 3 и седьмой вход вычислителя 4.

В блоке 10 формируется вектор F нелинейного преобразования внутренних координат Z. Этот вектор - нелинейная функция - своя для каждого конкретного объекта управления. С выхода блока 10 вектор F поступает на четвертый вход вычислителя 4.

Аналогично в блоке 11 формируется матрица В нелинейного преобразования внутренних координат Z. Она представляет собой матрицу коэффициентов управления и так же, как и вектор F, является специфичной для каждого конкретного объекта управления. С выхода блока 11 матрица В поступает на пятый вход вычислителя 5.

В блоке 12 формируется матрица R - производная вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат. Она формируется как нелинейная функция не только внутренних Z, а и внешних Y координат и также является специфичной для каждого конкретного объекта управления. С выхода блока 12 матрица R поступает на шестой вход вычислителя 5.

В блоке 13 аналогично формируется матрица L - производная вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат. Она так же, как и матрица R, формируется как нелинейная функция координат Z и Y и является специфичной для каждого конкретного объекта управления. С выхода блока 13 матрица L поступает на седьмой вход вычислителя 5.

В блоке 14 формируется вектор М внешних скоростей, также являющийся нелинейной функцией координат Z и Y, специфичной для каждого объекта управления. С выхода блока 14 вектор М поступает на восьмой вход вычислителя 5.

Блок 6 осуществляет транспонирование поступившего на его вход вектора Y внешних координат. Результат Y^T транспонирования с выхода блока 6 поступает на пятый вход вычислителя 3. Часть элементов этого вектора Y*, представляющая собой координаты центра тяжести объекта управления, поступает, кроме того, на шестой вход вычислителя 4.

Аналогично блок 7 осуществляет транспонирование поступившего на его вход вектора * - производной вектора внешних координат, являющихся координатами центра тяжести объекта управления. Результат транспонирования с выхода блока 7 поступает на второй вход вычислителя 2 и шестой вход вычислителя 3.

В вычислителе 3 рассчитывается дополнительная матрица D_j и формируется второй матричный коэффициент К₂.

Матрица D_j рассчитывается по формуле:

Расчет матрицы D_j осуществляется с помощью блока 25 умножения на два, перемножителя 27 и сумматора 31.

Матрица N_1j с первого входа вычислителя поступает на первые входы перемножителей 26 и 27, а матрица N_2j со второго входа вычислителя поступает на первый вход сумматора 31, кроме того, ее составляющая N_2n поступает на третий выход вычислителя. Вектор Y^T с пятого входа вычислителя поступает на вход блока 25.

В блоке 25 поступивший на его вход вектор Y^T удваивается, и результат 2Y^T удвоения поступает на второй вход перемножителя 27. На выходе последнего формируется произведение 2Y^T·N_1i, где i=j-1, которое поступает на второй вход сумматора 31, где оно суммируется с матрицей N_2j, поступившей на его первый вход. В результате на выходе сумматора 31 формируется матрица D_j в соответствии с уравнением (1). С выхода сумматора 31 матрица D_j поступает на первый вход перемножителя 29 и на второй выход вычислителя, откуда затем поступает на первый вход вычислителя 2.

Второй матричный коэффициент К₂ формируется с помощью блока 24 умножения на два, перемножителей 25, 28 и 29, регистра 30 и сумматоров 32 и 33.

Вектор с шестого входа вычислителя поступает на вход блока 24. Матрица С с третьего входа вычислителя поступает на вторые входы перемножителя 28 и сумматора 32, а матрица А с четвертого входа вычислителя поступает на первые входы перемножителя 28 и сумматора 32.

В блоке 24 поступивший на его вход вектор удваивается, и результат удвоения поступает на второй вход перемножителя 26. На выходе перемножителя 26 формируется произведение ·N_1i, которое поступает на первый вход регистра 30. Поскольку второй вход регистра 30 заземлен, на его выходе формируется матрица которая поступает на третий вход перемножителя 28.

В сумматоре 32 поступившие на его входы матрицы А и С суммируются, и результат [С+А] суммирования с выхода сумматора 32 поступает на второй вход перемножителя 29, где он умножается на матрицу D_j, поступившую на его первый вход. Результат [C+A]·[Dj] умножения, представляющий собой первое слагаемое матричного коэффициента K₂, поступает на первый вход сумматора 33.

В перемножителе 28 поступившие на его вход матрицы перемножаются, и результат перемножения, представляющий собой второе слагаемое матричного коэффициента К₂, поступает на второй вход сумматора 33.

В сумматоре 33 поступившие на его входы матрицы суммируются и на его выходе формируется результат суммирования - матричный коэффициент К₂ в соответствии с уравнением:

Этот результат поступает на первый выход вычислителя.

Таким образом, в вычислителе 3 формируются:

- на первом выходе второй матричный коэффициент К₂ в соответствии с уравнением (2);

- на втором выходе вспомогательная матрица D_i в соответствии с уравнением (1);

- на третьем выходе матрица N_2n квадратичной формы от внешних координат.

Матричный коэффициент К₂ поступает с первого выхода вычислителя 3 на второй вход вычислителя 5, матрица D_i поступает со второго выхода вычислителя 3 на первый вход вычислителя 2, а матрица N_2n - с третьего выхода вычислителя 3 на пятый вход вычислителя 2.

В вычислителе 2 формируется первый матричный коэффициент К₁.

Вектор со второго входа вычислителя поступает на вход блока 19 умножения на два. В блоке 19 он удваивается, и результат удвоения поступает на второй вход перемножителя 20. Регистр 18 представляет собой единичную матрицу Е размерностью m×m. Его содержимое поступает на первый вход перемножителя 20. На выходе перемножителя 20 формируется произведение ·Е, которое поступает на первый вход сумматора 21, на второй вход которого поступает матрица N_2n с пятого входа вычислителя. На выходе сумматора 21 формируется сумма матриц на его входах, равная [·E+N_2n]. С выхода сумматора 21 она поступает на второй вход регистра 22, на первый вход которого поступает матрица D_i с первого входа вычислителя. В результате в регистре 22 формируется матрица которая с его выхода поступает на первый вход перемножителя 23. На второй и третий входы перемножителя 23 поступают матрицы С и А соответственно с третьего и четвертого входов вычислителя. На выходе перемножителя 23 и выходе вычислителя формируется результат перемножения - матричный коэффициент К₁ в соответствии с уравнением:

С выхода вычислителя 2 матричный коэффициент К₁ поступает на первый вход вычислителя 5.

В вычислителе 4 формируется третий матричный коэффициент К₃.

На первый вход перемножителя 34 поступает матрица N_1j co второго входа вычислителя, на второй - вектор Y* с пятого входа вычислителя, а на третий - результат Y*^T транспонирования этого вектора с шестого входа вычислителя. На выходе перемножителя 34 формируется матрица - результат перемножения матриц на его входах. Сформированная матрица с выхода перемножителя 34 поступает на первый вход сумматора 38. На первый вход перемножителя 35 поступает вектор с пятого входа вычислителя, а на второй - матрица N_2j c его третьего входа. На выходе перемножителя 35 формируется матрица N_2j·Y^* - результат перемножения матриц на его входах. Сформированная матрица с выхода перемножителя 35 поступает на второй вход сумматора 38, на третий вход которого поступает коэффициент N_3j квадратичных форм с четвертого входа вычислителя. На оба входа перемножителя 36 с первого входа вычислителя поступает заданное значение V_K траекторной скорости. Перемножитель 36 возводит его в квадрат, результат инвертируется инвертором 39, и результат инвертирования поступает на второй вход регистра 40. Поскольку первый вход регистра 40 заземлен, на его выходе формируется матрица вида которая поступает на вход блока 41 транспонирования матриц. На выходе блока 41 формируется матрица которая поступает на первый вход перемножителя 37. На второй вход этого перемножителя поступает матрица А с седьмого входа вычислителя. На выходе перемножителя 37 и на четвертом входе сумматора 38 формируется матрица равная произведению матриц на его входах. На выходе сумматора 38 и выходе вычислителя формируется матрица, равная сумме матриц на его четырех входах. Она представляет собой третий матричный коэффициент К₃ и определяется уравнением:

С выхода вычислителя 4 матричный коэффициент К₃ поступает на третий вход вычислителя 5.

В вычислителе 5 формируется матрица U - сигнал управления.

На первые входы перемножителей 42, 43 и 44 с первого входа вычислителя поступает первый матричный коэффициент K₁, на вторые входы перемножителей 42 и 43 поступает матрица R с шестого входа вычислителя, на второй вход перемножителя 44 - матрица L с седьмого входа вычислителя, а на третьи входы перемножителей 42 и 43 - матрица В и вектор F с пятого и четвертого входов вычислителя соответственно. На выходе перемножителя 42 формируется матрица К_1··R·В - результат перемножения матриц на его входах. С выхода перемножителя 42 результат перемножения поступает на вход блока 49 обращения матриц. На выходе блока 49 формируется обращенная матрица [К_1··R·В]^-1, которая поступает на первый вход перемножителя 45. На выходе перемножителя 43 формируется матрица K_1··R·F - результат перемножения матриц на его входах, которая поступает на первый инверсный вход сумматора 48. На выходе перемножителя 44 и первом входе сумматора 47 формируется матрица K_1··L - результат перемножения матриц на его входах. Второй матричный коэффициент К₂. со второго входа вычислителя поступает на второй вход сумматора 47, где он суммируется с матрицей K_1··L, а результат [K_1··L+K_2·] суммирования поступает на первый вход перемножителя 46. На второй вход этого перемножителя поступает вектор М внешних скоростей с восьмого входа вычислителя. На выходе перемножителя 46 формируется матрица [K_1··L+K_2·]·М - результат перемножения матриц на его входах, которая поступает на второй инверсный вход сумматора 48. На третий вход этого сумматора с третьего входа вычислителя поступает третий матричный коэффициент К_3·. На выходе сумматора 48 и на втором входе перемножителя 45 формируется матрица [-K_3·-K_1··R·F-[K_1··L+K_2·]·M] - проинвертированная сумма матриц на входах сумматора 48. На выходе перемножителя 45 и выходе вычислителя формируется результат перемножения U -матрица сигнала управления в соответствии с уравнением:

С выхода вычислителя управляющий сигнал U поступает на управляющий вход исполнительного устройства 15.

Таким образом, реализуемый заявляемым устройством процесс формирования управляющего сигнала U состоит в следующем:

1) измеряют внутренние координаты Z управляемого объекта;

2) измеряют его внешние координаты Y и их производные

3) формируют матрицы N_1j,·N_2j,·N_3j квадратичных форм, первую А и вторую В диагональные матрицы постоянных коэффициентов и вспомогательную матрицу D_j в соответствии с уравнением (1);

4) формируют вектор М внешних скоростей, вектор F и матрицу В нелинейного преобразования внутренних координат, матрицы - производные R и L вектор-столбца внешних скоростей;

5) формируют матричные коэффициенты К_1·, К₂. и К₃. в соответствии с уравнениями (2), (3) и (4) соответственно;

6) формируют матрицу сигнала управления U в соответствии с уравнением (5).

Описанный алгоритм и уравнения (1)÷(5) полностью соответствуют алгоритму управления, приведенному в работе [В.Х.Пшихопов. Аналитический синтез синергетических регуляторов для позиционно-траекторных систем управления мобильными роботами. Материалы XI научно-технической конференции "Экстремальная робототехника". Под научной редакцией проф. Е.И.Юревича. - СПб., издательство СПбГТУ, 2000].

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает управление движением объекта по заданной траектории. При этом объектом управления может быть подвижный объект в отличие от устройства-прототипа, которое обеспечивает управление только манипуляционным роботом.

Устройство достаточно легко реализуемо. В качестве планировщика траектории может служить ЭВМ, нейросеть, нейроподобная структура. В качестве сумматоров, перемножителей, блоков транспонирования и обращения матриц могут служить те же элементы, что и соответствующие элементы устройства-прототипа. Функции нелинейных преобразователей (блоков 10, 11, 12, 13 и 14) может выполнять бортовая ЭВМ. В качестве блока сенсорного обеспечения может служить модуль СНС СН-47, представляющий собой 24-канальный навигационный приемник, обеспечивающий прием и обработку сигналов СНС ГЛОНАСС, GPS и SBAS.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах управления подвижными объектами. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата устройство содержит планировщик траектории, вычислители, блоки транспонирования матриц, блоки датчиков информации, сенсорного обеспечения и формирования нелинейных преобразований, которые расширяют функциональные возможности управления подвижным объектом. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство управления подвижным объектом, содержащее планировщик траекторий, первый, второй и третий вычислители матричных коэффициентов, вычислитель сигнала управления, блок транспонирования матриц, блок формирования вектора нелинейных элементов, блок формирования матрицы коэффициентов управления и блок датчиков информации, в котором первый, второй, третий и четвертый выходы планировщика траектории соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами третьего вычислителя матричных коэффициентов, пятый и шестой выходы планировщика траекторий соединены соответственно с третьими и четвертыми входами первого и второго вычислителей матричных коэффициентов, первый вход второго вычислителя матричного коэффициента соединен со вторым выходом планировщика траектории, второй вход первого вычислителя матричного коэффициента соединен с шестым входом второго вычислителя матричного коэффициента, вход блока транспонирования матриц соединен с пятым входом третьего вычислителя матричного коэффициента, а выход - с его шестым входом и пятым входом второго вычислителя матричного коэффициента, седьмой вход третьего вычислителя матричного коэффициента соединен с четвертыми входами первого и второго вычислителей матричных коэффициентов, первый, второй и третий входы вычислителя сигнала управления соединены соответственно с выходом первого, первым выходом второго и выходом третьего вычислителей матричных коэффициентов, четвертый и пятый входы - с выходами соответственно блока формирования вектора нелинейных элементов и блока формирования матрицы коэффициентов управления, а выход - с управляющим входом исполнительного устройства управляемого объекта, отличающееся тем, что в него введены второй блок транспонирования матриц, блок сенсорного обеспечения, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат и блок формирования вектора внешних скоростей, при этом первый и пятый входы первого вычислителя матричного коэффициента соединены соответственно со вторым и третьим выходами второго вычислителя матричного коэффициента, вход блока датчиков информации соединен с выходом исполнительного устройства управляемого объекта, механическая система управляемого объекта соединена непосредственно со входом блока датчиков информации, а через внешнюю среду - со входом блока сенсорного обеспечения, выход блока датчиков информации соединен с первым входом планировщика траекторий и первыми входами блоков формирования вектора нелинейных элементов и матрицы коэффициентов управления, матриц - производных вектор-столбца внешних скоростей и вектора внешних скоростей, первый выход блока сенсорного обеспечения соединен со вторыми входами блоков формирования матриц - производных вектор-столбца внешних скоростей и вектора внешних скоростей, входом первого блока транспонирования матриц и вторым входом планировщика траектории, а второй выход блока сенсорного обеспечения соединен со входом второго блока транспонирования матриц, выход которого соединен со вторым входом первого вычислителя матричного коэффициента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вычислитель первого матричного коэффициента содержит два регистра, два перемножителя, блок умножения на два и сумматор, первый вход первого регистра соединен с первым входом вычислителя, второй - с выходом сумматора, а выход - с первым входом второго перемножителя, вход блока умножения на два соединен со вторым входом вычислителя, а выход - со вторым входом первого перемножителя, соединенного своим первым входом с выходом второго регистра, а выходом - с первым входом сумматора, второй вход которого является пятым входом вычислителя, второй и третий входы второго перемножителя соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислителя, а выход является выходом вычислителя.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вычислитель второго матричного коэффициента содержит два блока умножения на два, регистр, четыре перемножителя и три сумматора, первые входы первого и второго перемножителей соединены с первым входом вычислителя, а вторые - с выходами соответственно первого и второго блоков умножения на два, соединенных своими входами соответственно с шестым и пятым входами вычислителя, первый вход регистра соединен с выходом первого перемножителя, второй заземлен, а выход соединен с третьим входом третьего перемножителя, первый вход которого соединен с первым входом первого сумматора и четвертым входом вычислителя, второй - со вторым входом первого сумматора и третьим входом вычислителя, а выход - со вторым входом третьего сумматора, первый вход второго сумматора соединен со вторым входом и третьим выходом вычислителя, второй - с выходом второго перемножителя, а выход - со вторым выходом вычислителя и первым входом четвертого перемножителя, второй вход четвертого перемножителя соединен с выходом первого сумматора, а выход - с первым входом третьего сумматора, выход которого является первым выходом вычислителя.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вычислитель третьего матричного коэффициента содержит четыре перемножителя, сумматор, инвертор, регистр и блок транспонирования матриц, первый и второй входы первого перемножителя соединены с первым входом вычислителя, а выход - со входом инвертора, соединенного своим выходом со вторым входом регистра, первый вход которого заземлен, первый, второй и третий входы второго перемножителя соединены соответственно со вторым, пятым и шестым входами вычислителя, а выход - с первым входом сумматора, первый вход третьего перемножителя соединен с пятым входом вычислителя, второй - с его третьим входом, а выход - со вторым входом сумматора, третий вход которого соединен с четвертым входом вычислителя, вход блока транспонирования матриц соединен с выходом регистра, а выход - с первым входом четвертого перемножителя, второй вход которого соединен с седьмым входом вычислителя, четвертый вход сумматора соединен с выходом четвертого перемножителя, а выход является выходом вычислителя.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вычислитель сигнала управления содержит пять перемножителей, два сумматора и блок обращения матриц, первые входы первого, второго и третьего перемножителей соединены с первым входом вычислителя, второй вход первого перемножителя соединен со вторым входом второго и шестым входом вычислителя, третий вход - с пятым входом вычислителя, а выход - со входом блока обращения матриц, третий вход второго перемножителя соединен с четвертым входом вычислителя, а выход - с первым инверсным входом второго сумматора, второй вход третьего перемножителя соединен с седьмым входом вычислителя, а выход - с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен со вторым входом вычислителя, а выход - с первым входом пятого перемножителя, второй вход пятого перемножителя соединен с восьмым входом вычислителя, а выход - со вторым инверсным входом второго сумматора, третий инверсный вход которого соединен с третьим входом вычислителя, первый вход четвертого перемножителя соединен с выходом блока обращения матриц, второй - с выходом второго сумматора, а выход является выходом вычислителя.