СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫМ ОБЪЕКТОМ Российский патент 2016 года по МПК G05D1/00 B63G8/00 

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 мобильным роботом на основе следящих систем, описанный в работе [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 научн. ред. проф. Е.И. Юревича. - СПб, изд-во СПбГТУ, 1997, 439 с. - С.198-209]. Этот способ предполагает аппроксимацию сложной траектории более простыми геометрическими образами, измерение внешних и внутренних координат объекта управления, пересчет требуемой траектории из пространства внешних координат в пространство внутренних координат и изменение внутренних координат таким образом, чтобы внешние координаты приближались к требуемым.

Признаками этого аналога, совпадающими с признаками заявляемого способа, являются измерение внешних и внутренних координат объекта управления.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является низкая точность отработки траекторий. Она обусловлена тем обстоятельством, что процедура локальной аппроксимации сложных траекторий вносит существенные погрешности в планирование и, следовательно, в отработку этих траекторий и не позволяет стабилизировать заданное значение траекторной скорости. Кроме того, предлагаемая организация движения требует наличия блока кинематических преобразований из пространства внешних координат в пространство внутренних, непосредственно управляемых координат. Отмеченная особенность позволяет получить аналитические алгоритмы преобразования только для простых кинематических схем объектов управления. При более сложной механической системе этого объекта решение обратной задачи кинематики возможно только в рамках приближенных выражений внутренних координат в функции внешних, что вносит дополнительную погрешность в формирование номинальных траекторий в пространстве внутренних координат, а следовательно, и в их отработку.

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

Признаками этого аналога, совпадающими с признаками заявляемого способа, являются формирование матрицы нелинейных элементов, формирование матрицы коэффициентов управления, формирование матриц квадратичных и линейных форм, 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.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является способ управления подвижным объектом, реализованный в устройстве управления подвижным объектом, защищенном патентом РФ №2393522, кл. G05D, 1/00, 2010 г.

Этот способ заключается в следующем.

Измеряют внутренние координаты управляемого объекта. С помощью установленного на нем приемника сигналов спутниковых навигационных систем определяют его внешние координаты и их производные. Формируют вектор F и матрицу В нелинейного преобразования внутренних координат. Формируют вектор М внешних скоростей. Формируют 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, N_3j квадратичных форм и линейных форм внешних координат, где $$j=\overline{\mathrm{1,}n}$$ , 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 $${\widehat{E}}_1$$ в соответствии с уравнением:

где D_i=2Y^T·N_1i+N_2i - первая вспомогательная матрица;

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

Е - единичная матрица размерностью m×m;

$${\dot{Y}}^{*}$$ - производная вектора Y для тех значений, которые являются координатами центра тяжести объекта управления;

Т - символ операции транспонирования,

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

Формируют второй матричный коэффициент $${\widehat{E}}_2$$ в соответствии с уравнением:

где D_j - вторая вспомогательная матрица,

0₁ - вектор нулевых элементов размерностью n.

Формируют третий матричный коэффициент $${\widehat{E}}_3$$ в соответствии с уравнением:

где V_k - заданная траекторная (контурная) скорость.

Формируют вектор управления U в соответствии с уравнением:

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

Причиной, препятствующей достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, является ограниченность области применения способа. Дело в том, что определение внешних координат управляемого объекта осуществляется с помощью приемника сигналов спутниковых навигационных систем. Однако, поскольку приемник установлен на управляемом объекте, то в случае, если таковым является подводный аппарат, находящийся в подводном положении, то прием таких сигналов невозможен.

В то же время зачастую возникает необходимость управления подводным аппаратом, и прототип эту задачу выполнить не может.

Технической задачей, на решение которой направлено создание изобретения, является расширение области применения способа на управление подводными объектами.

Технический результат достигается тем, что в известном способе управления подвижным объектом, реализованном в устройстве, защищенном патентом РФ №2393522, при управлении подводным аппаратом вблизи объекта управления на водной поверхности располагают судовой пункт управления, оснащенный приемником сигналов спутниковых навигационных систем, гидролокатором и системой подводной радиосвязи с управляемым объектом, с помощью приемника сигналов спутниковых навигационных систем определяют внешние координаты судового пункта управления, с помощью гидролокатора определяют дальность до объекта управления и угол его визирования, по этим дальности и углу визирования определяют внешние координаты объекта управления и с помощью системы подводной связи передают на него полученные координаты.

Для достижения указанного 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 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 $$j=\overline{\mathrm{1,}n}$$ , а n - число измеряемых внутренних координат, формировании первой А и второй С диагональных матриц постоянных коэффициентов размерностью n×n, формировании первого матричного коэффициента $${\widehat{E}}_1$$ в соответствии с уравнением:

где D_i=2Y^T·N_1i+N_2i - первая вспомогательная матрица;

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

Е - единичная матрица размерностью m×m;

$${\dot{Y}}^{*}$$ - производная вектора Y для тех значений, которые являются координатами центра тяжести объекта управления;

Т - символ операции транспонирования,

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

формировании второго матричного коэффициента $${\widehat{E}}_2$$ в соответствии с уравнением:

где D_j - вторая вспомогательная матрица;

0₁ - вектор нулевых элементов размерностью n,

формировании третьего матричного коэффициента $${\widehat{E}}_3$$ в соответствии с уравнением:

где V_k - заданная траекторная (контурная) скорость,

и формировании сигнала управления U в соответствии с уравнением:

U=-[K₁·R·B]^-1·[K₁·R·F+[K₂+K₁·L]·M+K₃],

при этом в случае управления подводным аппаратом вблизи объекта управления на водной поверхности располагают судовой пункт управления, оснащенный приемником сигналов спутниковых навигационных систем, гидролокатором и системой подводной радиосвязи с управляемым объектом, с помощью приемника сигналов спутниковых навигационных систем определяют внешние координаты судового пункта управления, с помощью гидролокатора определяют дальность до объекта управления и угол его визирования, по этим дальности и углу визирования определяют внешние координаты объекта управления и с помощью системы подводной связи передают на него полученные координаты.

Исследования заявленного технического решения по патентной и научно-технической литературе показали, что совокупность вновь введенных действий в заявляемом способе 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.

Таким образом, реализация предлагаемого способа управления предусматривает 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, N2_j, N_3j квадратичных форм, где $$j=\overline{\mathrm{1,}n}$$ , а n - число измеряемых координат.

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

5. Формируют первую и вторую вспомогательные матрицы D_j и D_j в соответствии с уравнениями:

D_i=2Y^T·N_1i+N_2i

D_j=2Y^T·N_1j+N_2j.

6. Формируют вектор М внешних скоростей, вектор F и матрицу В 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 $${\widehat{E}}_1$$ в соответствии с уравнением:

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

Е - единичная матрица размерностью m×m;

$${\dot{Y}}^{*}$$ - производная вектора Y для тех значений, которые являются координатами центра тяжести объекта управления;

Т - символ операции транспонирования,

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

10. Формируют второй матричный коэффициент $${\widehat{E}}_2$$ в соответствии с уравнением:

где 0₁ - вектор нулевых элементов размерностью n.

11. Формируют третий матричный коэффициент $${\widehat{E}}_3$$ в соответствии с уравнением:

где V_k - заданная траекторная (контурная) скорость.

12. Формируют вектор управления U в соответствии с уравнением:

U=-[K₁·R·B]^-1·[K₁·R·F+[K₂+K₁·L]·M+K₃].

Описанный 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. Если объектом управления является подводный аппарат, то его внешние координаты определяют с помощью судового пункта управления, оснащенного приемником сигналов спутниковых навигационных систем, гидролокатором и системой подводной радиосвязи с объектом управления. Судовой пункт управления располагают на водной поверхности вблизи подводного аппарата. С помощью гидролокатора подводный аппарат захватывают на сопровождение, определяют дальность до него и угол его визирования с судового пункта управления, с помощью приемника сигналов спутниковых навигационных систем определяют внешние координаты судового пункта управления. По измеренным дальности и углу визирования эти координаты пересчитывают во внешние координаты подводного аппарата, с помощью системы подводной радиосвязи результаты пересчета передают на подводный аппарат.

Таким образом, в предлагаемом способе имеется возможность определять внешние координаты подводного аппарата в отличие от способа-прототипа, где такая возможность отсутствует.

Это значительно расширяет область применения предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом.

Предлагаемый способ достаточно легко реализуем. В качестве приемника сигналов спутниковых навигационных систем может служить модуль СНС СН-47, представляющий собой 24-канальный навигационный приемник, обеспечивающий прием и обработку сигналов СНС ГЛОНАСС, GPS и SBAS. Гидролокатор и средства подводной радиосвязи достаточно широко описаны в литературе [см., например, Гидроакустическая энциклопедия./Под общей ред. д.т.н. В.И. Тимошенко. - Изд-во Таганрогского государственного радиотехнического университета, 1999. - 788 с.; Роберт Дж. Урик. Основы гидроакустики. - Пер. с англ. Изд-во «Судостроение», Л. - 1978, с.420-433]. В качестве остальных элементов устройства, реализующего предлагаемый способ, могут служить соответствующие элементы устройства управления, описанного в патенте РФ №2393522, реализующего способ-прототип.

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. Техническим результатом является обеспечение возможности определения внешних координат подводного аппарата. В способ управления подвижным объектом измеряют внешние координаты подвижного объекта и их производных, формируют ряд матриц, матричных коэффициентов и сигнал управления при управлении подводным аппаратом. Вблизи объекта управления на водной поверхности располагают судовой пункт управления, оснащенный приемником сигналов спутниковых навигационных систем, гидролокатором и системой подводной радиосвязи с управляемым объектом. С помощью приемника сигналов спутниковых навигационных систем определяют внешние координаты судового пункта управления, а с помощью гидролокатора определяют дальность до объекта управления и угол его визирования, по этой дальности и углу визирования определяют внешние координаты объекта управления и с помощью системы подводной связи передают на него полученные координаты.

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 А и второй С диагональных матриц постоянных коэффициентов размерностью nxn, формировании первого матричного коэффициента К₁ в соответствии с уравнением:

где D_i=2Y^T·N_1i+N_2i - первая вспомогательная матрица;
Y - вектор измеряемых внешних координат размерностью m≥n;
Е - единичная матрица размерностью mxm;
- производная вектора Y для тех значений, которые являются координатами центра тяжести объекта управления;
Т - символ операции транспонирования,

формировании второго матричного коэффициента К₂ в соответствии с уравнением:

где D_j=2Y^T·N_1j+N_2j - вторая вспомогательная матрица;
0₁ - вектор нулевых элементов размерностью n,
формировании третьего матричного коэффициента К₃ в соответствии с уравнением:

где V_k - заданная траекторная (контурная) скорость,
и формировании вектора управления U в соответствии с уравнением:

отличающийся тем, что в случае управления подводным аппаратом вблизи объекта управления на водной поверхности располагают судовой пункт управления, оснащенный приемником сигналов спутниковых навигационных систем, гидролокатором и системой подводной радиосвязи с управляемым объектом, с помощью приемника сигналов спутниковых навигационных систем определяют внешние координаты судового пункта управления, с помощью гидролокатора определяют дальность до объекта управления и угол его визирования, по этой дальности и углу визирования определяют внешние координаты объекта управления и с помощью системы подводной связи передают на него полученные координаты.