СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫМ ОБЪЕКТОМ Российский патент 2015 года по МПК G05D1/00 G05B19/19 

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

Известен способ управления движением манипуляционного робота, приведенный в описании устройства, защищенного патентом РФ №2146606, кл. G05B 11/10, G05B 25, G05J 13/10, 2000. Этот способ содержит измерение обобщенных координат манипуляционного робота и их производных, преобразование их во внешние координаты, формирование вектора нелинейных элементов, формирование матрицы коэффициентов управления, формирование матриц квадратичных и линейных форм внешних координат, формирование первой и второй диагональных матриц постоянных коэффициентов, формирование вектора внешних скоростей и расчет на основе сформированных матриц и векторов матричных коэффициентов и вектора управления.

Признаками этого аналога, совпадающими с признаками заявляемого способа, являются формирование вектора нелинейных элементов, формирование матрицы коэффициентов управления, формирование векторов и матриц квадратичных и линейных форм внешних координат, формирование первой и второй диагональных матриц постоянных коэффициентов и формирование вектора внешних скоростей.

Причиной, препятствующей получению в этом аналоге технического результата, достигаемого в изобретении, является то обстоятельство, что в данном способе вычисление матричных коэффициентов осуществляется на основе измерения обобщенных координат управляемого объекта и их производных, что обеспечивает управление движением рабочего органа манипуляционного робота. На практике зачастую возникает необходимость управления подвижным (мобильным) объектом. Эту функцию данный способ реализовать не позволяет.

Более близким по технической сущности к заявляемому является способ управления подвижным объектом, описанный 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. С-Пб, издательство С-ПбГТУ, 2000].

Этот способ заключается в следующем.

Измеряют внутренние координаты управляемого объекта. Измеряют его внешние координаты и их производные. Формируют вектор F и матрицу B нелинейного преобразования внутренних координат. Формируют вектор M внешних скоростей. Формирую матрицу - производную R вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат. Формируют матрицу - производную L вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат. Формируют матрицы N_1j, N_2j и N_3j - квадратичных форм и линейных форм внешних координат, где $$j=\overline{1,n}$$ , а n - число измеряемых внутренних координат управляемого объекта. Формируют первую А и вторую С диагональные матрицы постоянных коэффициентов размерностью n×n. Формируют первый матричный коэффициент K₁ в соответствии с уравнением:

$$K_1=C\cdot A\left[\begin{array}{c}{D}_i\\ N_{2n}+2M^T\cdot E\end{array}\right]$$ ,

где $$D_i=2Y^T\cdot N_{1i}+N_{2i}$$ - первая вспомогательная матрица,

Y - вектор измеряемых внешних координат, размерностью 6≥m≥n,

Е - единичная матрица размерностью m×m;

Т - символ операции транспонирования,

$$i=\overline{1,n-1}$$ .

Формируют второй матричный коэффициент K₂ в соответствии с уравнением:

$$K_2=\left[C+A\right]\left[D_j\right]+C\cdot A\left[\begin{array}{c}2M^T\cdot N_{1i}\\ 0_1\end{array}\right]$$ ,

где D_j - вторая вспомогательная матрица,

0₁ - вектор нулевых элементов размерностью n.

Формируют третий матричный коэффициент K₃ в соответствии с уравнением:

$$K_3=\left[Y^{*T}{N}_{1j}{Y}^{*}+N_{2j}{Y}^{*}+N_{3j}\right]+A\left[0_1-V_k^2\right]$$ ,

где V_k - заданная траекторная (контурная) скорость.

Формируют вектор управления U в соответствии с уравнением:

$$U=-{\left[K_1\cdot R\cdot B\right]}^{-1}\cdot \left[K_1\cdot R\cdot F+\left[K_2+K_1\cdot L\right]\cdot M+K_3\right]$$ .

Все перечисленные признаки (действия) этого способа совпадают с существенными признаками заявляемого способа.

Причиной, препятствующей достижению в этом способе технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, являются ограниченные функциональные возможности. В частности, движение управляемого объекта в этом способе ограничивается маршрутами, не содержащими препятствий, либо содержащими только неподвижные и заранее известные препятствия. Это обусловлено тем, что способ требует предварительного картографирования области функционирования подвижного объекта и расчета такой траектории движения управляемого объекта в заданную точку пространства, которая обеспечивала бы обход препятствия и достижение управляемым объектом заданной точки позиционирования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является способ управления подвижным объектом, защищенный патентом РФ №2450308, кл. G05D 1/00, G05B 19/19. Он содержит все изложенные выше действия второго аналога (способа, описанного в материалах XI научно-технической конференции "Экстремальная робототехника"). Кроме того, в соответствии с этим способом в процессе управления постоянно измеряют расстояние r между управляемым объектом и ближайшим препятствием на пути его движения и при выполнении условия r≤r_доп, где r_доп - минимально допустимая дистанция сближения объекта управления с препятствием, изменяют знак одного из элементов матриц A или C на противоположный.

В результате объект управления переходит в режим неустойчивого по расстоянию до препятствия движения до выхода в зону, свободную от препятствий, после чего планировщик системы управления рассчитывает новую траекторию. Затем рассчитывают новый сигнал управления, обеспечивающий разворот (доворот) объекта управления до направления на целевую точку и движение его по вновь спланированной траектории.

Все описанные признаки прототипа за исключением изменения знаков элементов матриц A или C совпадают с существенными признаками заявляемого способа.

Причиной, препятствующей достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, является погрешность реализации заданной траектории объекта управления в случае неожиданного возникшего препятствия на пути его следования. Дело в том, что в этом случае в способе-прототипе препятствие в принципе хотя и преодолевается, однако при этом объект управления, по сути, сталкивается с препятствием, затем его вновь возвращают на дальность, превышающую величину r_доп, и затем совершают новую попытку обойти препятствие стороной с определенным радиусом разворота.

Эти обстоятельства вызывают существенные отклонения траектории объекта управления от заданной и значительные затраты времени на реализацию объектом управления заданной траектории.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение отклонения фактической траектории объекта управления от заданной и сокращение затрат времени на реализацию заданной траектории.

Технический результат достигается тем, что в известном способе управления подвижным объектом, защищенном патентом РФ №2450308, дополнительно измеряют диапазон Δφ изменения угла визирования ближайшего препятствия, неожиданно возникшего на пути следования объекта управления, обусловленный размерами этого препятствия и его угловыми флюктуациями, и в случае, если направление вектора скорости объекта управления попадает в этот диапазон, изменяют его направление таким образом, чтобы оно вышло из диапазона Δφ с минимальным отклонением от заданной траектории.

Для достижения технического результата в известном способе управления подвижным объектом, основанном на измерении внутренних координат управляемого объекта, измерении его внешних координат и их производных, формировании вектора F и матрицы B нелинейного преобразования внутренних координат, формировании вектора M внешних скоростей, формировании матрицы - производной R вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, формировании матрицы - производной L вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, формировании матриц N_1j, N_2j, N_3j квадратичных форм от внешних координат, где $$j=\overline{1,n}$$ , а n - число измеряемых внутренних координат, формировании первой A и второй C диагональных матриц постоянных коэффициентов размерностью n×n, формировании первого матричного коэффициента K₁ в соответствии с уравнением:

$$K_1=C\cdot A\left[\begin{array}{c}{D}_i\\ N_{2n}+2M^T\cdot E\end{array}\right]$$ ,

где $$D_i=2Y^T\cdot N_{1i}+N_{2i}$$ - первая вспомогательная матрица,

Y - вектор измеряемых внешних координат, размерностью m≥n,

Е - единичная матрица размерностью m×m;

Т - символ операции транспонирования,

$$i=\overline{1,n-1}$$ ,

формируют второй матричный коэффициент K₂ в соответствии с уравнением:

$$K_2=\left[C+A\right]\left[D_j\right]+C\cdot A\left[\begin{array}{c}2M^T\cdot N_{1i}\\ 0_1\end{array}\right]$$ ,

где D_j - вторая вспомогательная матрица,

0₁ - вектор нулевых элементов размерностью n,

формировании третьего матричного коэффициента K₃ в соответствии с уравнением:

$$K_3=\left[Y^{*T}{N}_{1j}{Y}^{*}+N_{2j}{Y}^{*}+N_{3j}\right]+A\left[0_1-V_k^2\right]$$ ,

где V_k - заданная траекторная (контурная) скорость,

формируют вектор управления U в соответствии с уравнением:

$$U=-{\left[K_1\cdot R\cdot B\right]}^{-1}\cdot \left[K_1\cdot R\cdot F+\left[K_2+K_1\cdot L\right]\cdot M+K_3\right]$$ .

постоянном измерении в процессе управления расстояния r между управляемым объектом и ближайшими препятствиями на пути следования объекта управления, проверке выполнения условия r≤r_доп, где r_доп - минимально допустимая дистанция сближения объекта управления с препятствием, дополнительно измеряют диапазон Δφ изменения угла визирования ближайшего препятствия, неожиданно возникшего на пути следования объекта управления, обусловленный размерами этого препятствия и его угловыми флюктуациями, и в случае, если направление вектора скорости объекта управления попадает в этот диапазон, изменяют его направление таким образом, чтобы оно вышло из диапазона Δφ с минимальным отклонением от заданной траектории.

Исследование заявленного способа управления по патентной и научно-технической литературе показало, что совокупность вновь введенных действий над материальными объектами вместе с остальными действиями способа-прототипа не поддается самостоятельной классификации. В то же время она не следует явным образом из уровня техники. Поэтому предлагаемый способ следует считать удовлетворяющим критерию "новизна" и имеющим изобретательский уровень.

В соответствии с предлагаемым способом осуществляют следующие действия над объектом управления и другими материальными объектами.

1. Измеряют внутренние координаты Z управляемого объекта.

2. Измеряют его внешние координаты Y и их производные $$\dot{Y}$$ .

3. Формируют матрицы N_1j, · N_2j, · N_3j квадратичных форм, где $$j=\overline{1,n}$$ , а n - число измеряемых координат.

4. Формируют первую А и вторую С диагональные матрицы постоянных коэффициентов размерностью n×n.

5. Формируют вторую вспомогательную матрицу D_j в соответствии с уравнением:

6. Формируют вектор M внешних скоростей, вектор F и матрицу B нелинейного преобразования внутренних координат.

7. Формируют матрицу - производную R вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат.

8. Формируют матрицу - производную L вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат.

9. Формируют первый матричный коэффициент K₁ в соответствии с уравнением:

$$K_1=C\cdot A\left[\begin{array}{c}{D}_i\\ N_{2n}+2M^T\cdot E\end{array}\right]$$ ,

где $$D_i=2Y^T\cdot N_{1i}+N_{2i}$$ - первая вспомогательная матрица,

Y - вектор измеряемых внешних координат, размерностью m≥n,

Е - единичная матрица размерностью m×m;

Т - символ операции транспонирования,

$$i=\overline{1,n-1}$$ .

10. Формируют второй матричный коэффициент K₂ в соответствии с уравнением:

$$K_2=\left[C+A\right]\left[D_j\right]+C\cdot A\left[\begin{array}{c}2M^T\cdot N_{1i}\\ 0_1\end{array}\right]$$ ,

где 0₁ - вектор нулевых элементов размерностью n.

11. Формируют третий матричный коэффициент K₃ в соответствии с уравнением:

$$K_3=\left[Y^{*T}{N}_{1j}{Y}^{*}+N_{2j}{Y}^{*}+N_{3j}\right]+A\left[0_1-V_k^2\right]$$ ,

где V_k - заданная траекторная (контурная) скорость.

12. Формируют вектор управления U в соответствии с уравнением:

$$U=-{\left[K_1\cdot R\cdot B\right]}^{-1}\cdot \left[K_1\cdot R\cdot F+\left[K_2+K_1\cdot L\right]\cdot M+K_3\right]$$ .

Описанный до сих пор алгоритм (порядок действий над входящими в состав реализуемой предлагаемым способом системы управления материальными объектами), в том числе и сигнал U управления полностью соответствует алгоритму управления, приведенному в материалах XI научно-технической конференции "Экстремальная робототехника". Он соответствует движению мобильного (подвижного) объекта вдоль заданной траектории.

13. В процессе управления постоянно измеряют расстояние r между управляемым объектом и ближайшими препятствиями на пути следования объекта управления.

14. Проверяют выполнение условия r≤r_доп, где r_доп - минимально допустимая дистанция сближения объекта управления с препятствием.

15. В способе-прототипе в случае выполнения этого условия изменяют знак одного из элементов матриц А или С на противоположный. Как отмечалось выше, в результате объект управления переходит в режим неустойчивого движения до выхода в зону, свободную от препятствий, и осуществляет «доворот» до направления на целевую точку. В случае неожиданного появления препятствия на пути следования объекта управления осуществляется существенное отклонение траектории объекта управления от заданной и увеличение соответствующих затрат времени на ее реализацию.

16. В предлагаемом же способе в случае выполнения условия r≤r_доп знаков элементов матриц А или С не изменяют, а для предотвращения столкновения с неожиданно появившимся препятствием дополнительно измеряют диапазон Δφ изменения угла визирования ближайшего препятствия, неожиданно возникшего на пути следования объекта управления, обусловленный размерами этого препятствия и его угловыми флюктуациями. При этом, в случае, если направление вектора М внешней скорости объекта управления попадает в этот диапазон, принимают срочные меры для вывода направления вектора M из диапазона Δφ, причем направление вывода выбирают таким, чтобы он осуществлялся за минимально возможное время.

В результате минимальным будет фактическое отклонение положения целевой точки от требуемого.

Таким образом, заявляемый способ, как и способ-прототип, обеспечивает достижение объектом управления заданной точки пространства и в случае неопределенной среды, при появлении незапланированных препятствий на заданной траектории движения объекта. Однако фактическое отклонение траектории движения объекта управления от заданной и фактические затраты времени на реализацию этой траектории в заявляемом способе значительно меньше, чем в способе-прототипе.

Предлагаемый способ достаточно легко реализуем

В качестве средства для измерения расстояний r до препятствий на пути следования объекта управления и диапазона Δφ углов визирования ближайшего препятствия в горизонтальной и вертикальной плоскостях может служить координатор активной радиолокационной доплеровской головки самонаведения, защищенной патентом РФ №2313054, кл. F41G 7/22, 2006, реализующий высокое разрешение целей и точность определения их дальности и угловых координат.

Остальные средства реализации предлагаемого способа могут быть выполнены на основе тех же средств, что и способ-прототип.

Изобретение относится к системам управления и может быть использовано при разработке систем управления подвижными объектами, обеспечивающих их перемещение по заданной траектории с заданной скоростью в неопределенных средах. Техническим результатом является уменьшение отклонения фактической траектории объекта управления от заданной и сокращение затрат времени на реализацию заданной траектории. В известном способе управления подвижным объектом дополнительно измеряют диапазон Δφ изменения угла визирования ближайшего препятствия, неожиданно возникшего на пути следования объекта управления, обусловленный размерами этого препятствия и его угловыми флюктуациями, и в случае, если направление вектора внешней скорости объекта управления попадает в этот диапазон, изменяют его направление таким образом, чтобы оно вышло из диапазона Δφ за минимально возможное время.

Способ управления подвижным объектом, основанный на измерении внутренних координат управляемого объекта, измерении его внешних координат и их производных, формировании вектора F и матрицы в нелинейного преобразования внутренних координат, формировании вектора М внешних скоростей, формировании матрицы - производной R вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, формировании матрицы - производной L вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, формировании матриц N_1j, N_2j, N_3j квадратичных форм от внешних координат, где , а n - число измеряемых внутренних координат, формировании первой A и второй C диагональных матриц постоянных коэффициентов размерностью n×n, формировании первого матричного коэффициента K₁ в соответствии с уравнением:
,
где - первая вспомогательная матрица,
Y - вектор измеряемых внешних координат, размерностью m≥n,
Е - единичная матрица размерностью m×m;
Т - символ операции транспонирования,
.
формировании второго матричного коэффициента K₂ в соответствии с уравнением:
,
где D_j - вторая вспомогательная матрица,
0₁ - вектор нулевых элементов размерностью n,
формировании третьего матричного коэффициента K₃ в соответствии с уравнением:
,
где V_k - заданная траекторная (контурная) скорость,
и формировании вектора управления U в соответствии с уравнением:
,
постоянном измерении в процессе управления расстояния r между управляемым объектом и ближайшими препятствиями на пути следования объекта управления, проверке выполнения условия r≤r_доп, где r_доп - минимально допустимая дистанция сближения объекта управления с препятствием, отличающийся тем, что дополнительно измеряют диапазон Δφ изменения угла визирования ближайшего препятствия, неожиданно возникшего на пути следования объекта управления, обусловленный размерами этого препятствия и его угловыми флюктуациями, и в случае, если направление вектора M внешней скорости объекта управления попадает в этот диапазон, изменяют его направление таким образом, чтобы оно вышло из диапазона Δφ за минимально возможное время.