Магистерский диплом (ВКР) на тему Разработка и исследование адаптивной системы управления двухколесным роботом.

Содержание:

Введение……………………………………………………………………………………. 2

1 Математическое описание объекта управления –
двухколесного робота. Математическая формализация поставленной задачи………………………………. 5

1.1 Особенности конструкции роботов на двухколесном
шасси…….. 5

1.2 Физика процесса движения двухколесного робота………………….. 7

1.3 Модели и методы решения задачи управления
движущимися роботами…………………………………………………………………………………………………….. 13

2 Синтез адаптивной системы управления двухколесным
роботом….. 27

2.1 Концептуальная
модель…………………………………………………….. 27

2.2 Структурная схема системы управления роботом…………………. 29

2.3 Разработка проекта нечеткой системы управления
двухколесным роботом…………………………………………………………………………………………………….. 30

3 Исследование разработанной системы………………………………………. 69

3.1 Моделирование нечеткой системы управления
двухколесного робота в среде Matlab…………………………………………………………………………………………… 69

3.2 Исследование модели………………………………………………………… 74

Заключение………………………………………………………………………………. 78

Список использованных источников……………………………………………. 80

Введение:

Развитие современной электронной техники является одной из
важнейших предпосылок для создания все более функциональных роботизированных
систем. Если раньше под словом «робот» часто имелась в виду система,
управляемая человеком-оператором, то на сегодняшний день акценты сместились (и
этот процесс продолжается и по настоящее время), в результате чего в
подавляющем большинстве случаев, даже для узких специалистов, робот является
полностью автономным устройством, предназначенным для выполнения определенной функциональной
задачи (или задач). Очевидно, для полностью автоматического решения любой
задачи система должна быть очень качественно подготовленной к этому с
алгоритмической точки зрения: «знать», как вести себя во всех ситуациях,
которые могут возникнуть в процессе выполнения работы. Неотъемлемым элементом
почти любой сложной задачи является перемещение (движение) работа между двумя
заданными точками пространства, при котором траектория этого перемещения часто
является заранее известной. Несмотря на то, что при поверхностном взгляде
вопрос может показаться простым, на самом деле такое действие может быть более
или менее трудно выполнить на практике. Дело в том, что на заранее продуманную
программу движений автономного аппарата, которая по расчетам должна привести к
цели в условиях, имеющихся при старте, могут накладываться внешние воздействия,
которые не были учтены в этой входной информации.  Например, уже в процессе движения по
траектории на ней возникает одно или несколько небольших препятствий, которые
вообще-то можно объехать, но для этого нужно несколько отклониться от
первоначального рассчитанного пути. Могут также действовать случайные факторы,
как, например, сильные порывы ветра, оползни опорной поверхности, если она
является подвижной, в частности, песчаной и т.п. Во всех таких случаях система
должна иметь алгоритмические составляющие, которые позволяли бы пройти от
стартовой до финишной точки, но с определенными отклонениями от первоначально
определенной траектории. Отдельным частным случаем движущегося робота, является
двухколесная система, которую целесообразно использовать в ряде прикладных
задач.

Таким образом, можно констатировать, что обеспечение
движения автономного двухколесного робота по заданной траектории является с
одной стороны достаточно распространенной на практике задачей, а с другой —
достаточно сложной, чтобы посвятить ей отдельное исследование, поэтому данная
тематика актуальна и будет рассматриваться в этой работе.

Целью работы является обеспечение возможности перемещения двухколесного
робота по заданной траектории движения, чего можно достичь путем
усовершенствования, применение существующих методов и средств для управления
техническими объектами и реализации на базе них соответствующей
автоматизированной системы управления.

Задачами, которые следует решить для достижения поставленной
цели, являются:

— анализ существующих методов управления автономными
аппаратами, обеспечивающими перемещения вдоль заранее заданной траектории;

— выделение преимуществ и недостатков таких методов с
обоснованием выбора базового метода;

— проектирование системы управления движением автономного двухколесного
робота по заданной траектории;

— реализация системы управления, ее тестирование и
исследование эффективности ее работы.

Объектом исследования является процесс движения двухколесного
робота по заданной траектории с учетом возможных препятствий.

Предметом исследования являются методы и средства,
позволяющие обеспечить такое движение.

Методы, применяемые в работе: общие методы анализа и
синтеза, методы теории автоматического управления, математического
моделирования, аппарат нечеткой логики.

Научной новизной является создание модели управления
процессом движения автономного двухколесного робота по заданной траектории,
выполненной на базе нечеткой логики, что позволяет адекватно реагировать на
действие случайных факторов, которые изначально не были учтены во входной
информации для работы системы управления робота.

Практическое значение работы заключается в создании
программного продукта, осуществляет имитацию работы системы управления
процессом движения двухколесного робота по заданной траектории.

В перспективе возможно совершенствование созданной системы,
например, в части увеличения размерности термов ее входных переменных, а также
увеличении числа правил (детализации алгоритма), определяющих ее работу.

Заключение:

В данной работе рассмотрен актуальный вопрос создания
автоматизированных систем управления для прикладных отраслей, а именно
разработана система нечеткого управления движением двухколесного робота по заданной
траектории. В качестве конкретного подхода к построению систем управления
избрано использование теории нечетких множеств и нечеткой логики, на ней
основанной (fuzzy logic). Этот подход является одним из самых современных и
позволяет возводить системы управления для объектов любых типов и сложности: от
простых с одной-двумя входными и выходными переменными, до самых сложных, какие
только могут встречаться в задачах управления. Особенностью всего подхода
является выполнение самого процесса управления на основе опыта экспертов в
данной области, который записывается в виде базы правил нечетких продукций, с
использованием специального вида лингвистических переменных, и функций
принадлежности отдельных термов этих лингвистических переменных. Таким образом,
подход на основе fuzzy logic позволяет приблизить методы выработки решений
компьютером (которые традиционно являются точными, детерминированными) к
способу мышления человека (часто опирающегося на приближенные оценки, и даже
интуицию).

Относительно созданной системы управления можно сказать, что
учитывая среднюю динамику объекта управления (в системе присутствует движения
средних скоростей), к рассмотрению взяты первые производные обоих
контролируемых углов. Ускорения и производные более высоких порядков не
рассматриваются. Всего предложено использовать 6 лингвистических переменных: 4
входных и 2 выходных.

Система управления реализована (на базе алгоритма Мамдани) в
среде Matlab, пакет Fuzzy Logic Toolbox, где создана база правил нечетких
продукций (которая состоит из 38 правил, условно разделенных на две большие
группы), заданы функции принадлежности всех переменных, которые рассматриваются
(6 переменных с общим количеством термов более 30), построены поверхности
нечетких выводов для двух выходных переменных.

В целом, можно сказать, что созданная система управления
является современной, производительной, гибкой и, при условии ее реализации в
конечном решении, может быть достаточно эффективной для управления автономным двухколесным
роботом, который осуществляет движение по заранее разработанной траектории.

Фрагмент текста работы:

1 Математическое описание объекта управления –
двухколесного робота. Математическая формализация поставленной задачи 1.1 Особенности конструкции роботов на двухколесном
шасси Любая роботизированная система очевидно должна иметь некое
положение устойчивого (или хотя бы безразличного) равновесия, которое
необходимо для обеспечения функционирования робота в энергосберегающих режимах,
а также при полном отключении питания движителей и всех приводов. Как известно
из механики, а также и повседневного опыта, для обеспечения устойчивого
положения объекта на поверхности ему необходимо как минимум три точки опоры, не
лежащие на одной прямой (т.е. образующие невырожденный треугольник). У объекта,
рассмотрению которого посвящено всё данное исследование, имеется два колеса,
что, в отличие от четырехколесных систем (или хотя бы трехколесных),
значительно затрудняет процесс обеспечения статического равновесия робота.

Значительную роль здесь играют физические условия,
наблюдаемые в точках соприкосновения колеса с опорной поверхностью. Если бы
колесо и поверхность были абсолютно твердыми (как известно, абсолютно твердым
называют тело, деформациями которого можно пренебречь, в частности из-за их
малости или отсутствия), то все точки опоры робота о поверхность лежали бы на
одной прямой  – рис. 1.1, а – и статическую устойчивость
принципиально невозможно было бы обеспечить при отсутствии контакта с другими
поверхностями (как, например, упор на вертикально стоящую стенку). На рисунке
робот показан условно в виде параллелепипеда, изображенного пунктиром.

В
реальности же любые материалы обладают конечной и ненулевой упругостью, причем
в случае материалов, аналогичных по свойствам резине