Магистерский диплом (ВКР) на тему Разработка подсистемы управление движением наземным беспилотным транспортным средством в условиях траекторных угроз

Содержание:

Содержание Стр. Сокращения и условные обозначения 3 Введение 4 1. Анализ проблемы управления наземного
беспилотного транспортного средства в условиях действия траекторных угроз. 6 1.1. Особенности управления наземным
беспилотным транспортным средством 6 1.2. Суть и виды траекторных угроз
при движении по двухмерной поверхности. 9 1.3. Выделение нерешенных ранее
частей проблемы и постановка задачи исследования. 12 1.4. Выводы по разделу. 14 2. Проектирование алгоритмической
составляющей процесса управления наземным беспилотным транспортным средством в
условиях действия траекторных угроз. 16 2.1. Анализ сути и структуры
входной и выходной информации для работы системы управления. 16 2.2. Обоснование выбора метода
управления, примененного в работе. 21 2.3. Разработка автоматизированной
системы управления движением наземного беспилотного транспортного средства 32 2.4. Правила выбора функций
принадлежности 37 2.5. Выбор лингвистических переменных для разрабатываемой
части АСУД 51 2.6. Выводы по разделу. 63 3. Моделирование работы подсистемы
управления движением наземного беспилотного транспортного средства 65 3.1. Обоснование выбора программных
средств для моделирования системы. 65 3.2. Особенности реализации модели
в среде Matlab Simulink. 67 3.3. Тестирование и оценка
эффективности полученного программного продукта. 79 3.4. Выводы по разделу. 82 Заключение 83 Список использованной литературы 84 Приложение. Код созданной
программной реализации. 88

Введение:

Стремительное увеличение производительности современной
цифровой техники способствует тотальной автоматизации различных отраслей
деятельности человека, многие из которых ранее казались совершенно не
подлежащими автоматизации. В том числе сюда относится процесс управления
автомобильными транспортными средствами, который уже более 100 лет проводится
исключительно человеком, в первую очередь, из-за его высокой сложности,
многофакторности и слабой предсказуемости. Тем не менее, с помощью привлечения
современных технологий искусственного интеллекта становится возможным даже
решение и таких по сложности задач (возможно, пока частичное, как например,
разнообразные системы помощи в вождении). При этом специалистам в области
автоматического управления очевидно, что появление на дорогах общего
пользования полностью автоматических транспортных средств – дело ближайшего
будущего. Очевидно, что в процессе движения автомобиль подвергается действию
разнообразных угроз, которые в первую очередь исходят от других транспортных
средств и других участников дорожного движения. Таким образом, разработка
подсистем управления процессом движения (а также и компонентов такой
подсистемы) в условиях действия траекторных угроз является актуальной задачей
для специалистов в области робототехники и информатики.

Целью данного исследования является повышение безопасности
следования наземным беспилотным транспортным средством (НБТС) по заданной
траектории за счет учета и надлежащего реагирования на отдельные существенные
траекторные угрозы. Соответственно можно выделить следующие задачи
исследования:

— рассмотреть понятие и особенности траекторных угроз;

— проанализировать доступные технологии для
нейтрализации отдельных, наиболее существенных траекторных угроз и выбрать одну
из них в качестве основной;

— на базе выбранного подхода разработать
алгоритмическую составляющую для части автоматического системы управления
движением (АСУД) наземного беспилотного транспортного средства, нейтрализующей
выбранные ранее угрозы;

— провести реализацию модели указанной части АСУД и
выполнить ее исследование, сделать выводы.

Объект исследования – процесс управления движением наземного
беспилотного транспортного средства в условиях действия траекторных угроз.

Предмет исследования – методы и модели обеспечения данного
процесса.

Новизной работы является разработка модели части
автоматической системы управления движением наземного беспилотного
транспортного средства, что позволяет реагировать на существующие траекторные
угрозы и выполнена за счет применения методов теории нечетких множеств.

Практическое значение работы заключается в реализации модели
части АСУД в среде математического моделирования Matlab, пакет Fuzzy Logic
Toolbox, которую далее можно использовать в среде Simulink.

Методы исследования: общенаучный метод анализа, методы
математического моделирования, методы теории нечетких множеств.

Структура работы: состоит из введения, трех глав,
заключения, списка литературы и приложения, 85 страниц основного текста, 34
источника, 33 рисунка, 5 таблиц.

Заключение:

В данной работе разработан прототип подсистемы
нечеткого управления для наземного беспилотного транспортного средства в
условиях действия типовых траекторных угроз.

В созданной системе управления, учитывая среднюю
динамику объекта управления (средние скорости изменения дистанций спереди и
сзади от НБТС до других транспортных средств), к рассмотрению взяты первые
производные этих двух контролируемых параметров траектории движения (т.е.
рассматриваются дистанции спереди и сзади, а также, их производные).  Ускорение и производные более высоких
порядков не рассматриваются. Для боковых интервалов, которые почти всегда
меняются достаточно медленно рассматриваются только сами значения интервалов
(без их производных). Всего предложено использовать 8 лингвистических
переменных: 6 входных и 2 выходных.

Прототип подсистемы управления движением НБТС
реализован (на базе алгоритма Мамдани) в среде Matlab, пакет Fuzzy Logic
Toolbox, с использованием которого создана база правил нечетких продукций

В
целом, можно сказать, что проведено исследование основных характеристик
прототипа подсистемы управления движением НБТС, показана работоспособность
выполненной разработки.

Фрагмент текста работы:

1 Анализ проблемы
управления наземным беспилотным транспортным средством в условиях действия
траекторных угроз 1.1 Особенности управления наземными беспилотными
транспортными средствами Очевидно, что беспилотные транспортные средства можно
классифицировать по количеству степеней свободы, которые существуют при их
перемещениях. Можно выделить следующие виды движения:

а) с одной степенью свободы, т.е. вдоль фиксированной
пространственной линии, что реализуется в железнодорожном транспорте, трамвае,
монорельсе и других подобных системах. Исходя из сути движения с одной степенью
свободы, при этом возможно только движение вперед-назад в обоих направлениях,
однако скорость этого движения (включая остановки, на которых скорость просто
считаем равной нулю) должна выбираться АСУ. Если скорость рассматривать как
величину со знаком, то движение назад будет реализовываться как перемещение с
отрицательной скоростью. Таким образом, в случае одномерного движения система
управления должна выбирать только одну величину – скорость движения. Учитывая
наличие всего одной выходной величины, а также то, что пространственная
линия-траектория обычно проложена в удобных и безопасных для движения местах,
работа системы управления в таком случае будет наиболее простой из всех
возможных случаев беспилотных транспортных средств.

б) с двумя степенями свободы, т.е. на некоторой двухмерной
поверхности. Часто в качестве такой поверхности выступает более-менее
горизонтально расположенная плоскость (как, например, дорожное полотно), но
иногда движение может осуществляться и по пересеченной местности сложной
геометрии.

В отличие от предыдущего случая тут отсутствует какая-то
одна фиксированная траектория и транспортное средство может в большей (при
движении по полю) или меньшей степени (на однополосной дороге) выбирать
траекторию самостоятельно. Также всегда при двухмерном движении существуют
статические и динамические (в частности, другие участники дорожного движения)
препятствия, причем некоторые из них достаточно сложно могут быть описаны
формализовано и обладают целым рядом вероятностных характеристик. Например,
банальная ветка, лежащая на дороге при наезде в случае, когда основная ее часть
находится под днищем, обычно безопасна (хотя в очень редких случаях может
вызвать повреждения деталей, расположенных в нижней части автомобиля, например,
катализатора или, что намного хуже, картера двигателя). Однако, в случае, когда
при наезде значительная ее часть находится сбоку от автомобиля, весьма вероятна
ситуация ее взлетания вверх и повреждения бокового стекла или как минимум,
лако-красочного покрытия корпуса.

Качественная система управления при двухмерном движении
должна уметь распознавать все возможные объекты, которые могут появляться на
поверхности движения, и достаточно качественно прогнозировать их поведение в
пространстве и во времени при взаимодействии с управляемым транспортным
средством (ТС).

Что же касается перемещений по пересеченной местности
(например, при управлении автономным танком), то даже задача простого
моделирования движения по «видимой» сенсорами впереди двухмерной поверхности
уже является чрезвычайно сложной, так как тут следует учитывать возможности опрокидывания
ТС, его блокирования, застревания, скольжения, сползания и т.д., и т.п.

В случае
маневрирования при взаимодействии с динамическими объектами (другими
участниками движения, управляемыми или самопроизвольно движущимися) у АСУ
существует всего две возможности для объезда препятствия: объехать его с правой
или с левой стороны