Магистерский диплом (ВКР) на тему Разработка стенда для изучения принципов управление в робототехнике

Содержание:

Список использованных сокращений 3

Введение 4

1 Анализ основных принципов управления в робототехнике 6

1.1 Определение и суть понятия «управление» в робототехнике 6

1.2 Краткий обзор методов управления, применяемых в робототехнике 12

1.3 Анализ научно-технических публикаций, посвященных вопросам изучения принципов управления в робототехнике, в частности с применением специализированных стендов 19

1.4 Формирование задания на разработку в данной работе 22

1.5 Выводы по главе 23

2 Формирование основных проектных предложений по разработке стенда для изучения принципов управления в робототехнике 24

2.1 Анализ существующих методов управления в робототехнике и выбор вариантов для реализации на разрабатываемом стенде 24

2.1.1 Управление с обратной связью 24

2.1.2 Программное управление 26

2.1.3 Адаптивное управление 27

2.1.4 Оптимальное управление 29

2.1.5 Стохастическое управление 31

2.1.6 Нечеткое управление 32

2.2 Описание рабочих зон проектируемого стенда 33

2.3 Проектирование механической части разрабатываемого стенда 52

2.4 Проектирование электрической части разрабатываемого стенда 55

2.5 Выводы по главе 62

3 Особенности практической реализации предложенных решений по разработке создаваемого стенда 64

3.1 Выбор моделей элементов механической части 64

3.2 Выбор моделей элементов электрической части 66

3.3 Описание методики тестирования программного обеспечения стенда 72

3.4 Разработка методических рекомендаций по использованию создаваемого стенда в учебном процессе 82

3.5 Оценка эффективности предложенного решения 85

3.5 Выводы по главе 89

Заключение 90

Список использованной литературы 92

Приложение А. Код разработанной управляющей программы на языке С/С++ 96

Введение:

Современные технологии и робототехника в целом становятся все более важными и востребованными областями, оказывая влияние на различные сферы человеческой деятельности, включая производство, медицину, автоматизацию и транспорт. Учебные стенды, применяемые при изучении робототехники, предоставляют студентам и исследователям уникальную возможность погрузиться в мир современных технологий, управления и программирования роботов без использования реальных дорогостоящих образцов. Эти стенды позволяют студентам не только приобрести теоретические знания о принципах управления, но и получить практический опыт работы с простейшими робототехническими системами и устройствами. Это способствует более глубокому пониманию технических концепций и развивает практические навыки, необходимые в современной индустрии.

Разработка учебных стендов позволяет проводить разнообразные эксперименты и исследования, а также тестировать различные алгоритмы управления на практике. Это способствует развитию инновационных подходов к решению задач робототехники и созданию более эффективных и устойчивых систем. Учебные стенды также способствуют распространению знаний и опыта среди студентов и исследователей, создавая возможность для обмена ими между различными образовательными и научными учреждениями. Это способствует развитию образовательных программ и научных исследований в области робототехники.

В целом, разработка учебных стендов для исследования принципов управления в робототехнике представляет собой актуальную задачу, подлежащую решению в данной работе.

Целью данной работы является исследование теоретических основ и практических решений по созданию стенда для изучения принципов управления в робототехнике.

Задачи работы состоят в анализе предметной области, обосновании необходимости проведения собственной разработки стенда, разработке механической и электрической частей, оценке его эффективности, выработке методических рекомендаций по возможному использованию стенда в учебной деятельности.

Предмет исследования – методы, средства и конкретные решения, применяемые для изучения принципов управления в робототехнике в рамках использования учебных стендов.

Практическое значение работы состоит в разработке комплекса проектных решений, применение которых позволяет реализовать стенд для изучения принципов ручного, пропорционального, а также нечеткого управления в робототехнике.

В перспективе работа может расширяться путем добавления других принципов управления, в частности основанных на принципах искусственного интеллекта (таких, как нейронное управление с помощью нейронных сетей).

Работа может быть полезна при изучении принципов управления в робототехнике в целом и конкретно – при разработке учебных стендов, визуализирующих данные принципы.

Заключение:

Таким образом, в данной работе выполнено проектирование и разработка стенда для изучения принципов управления в робототехнике. Первоначально установлена современная трактовка понятия «управление» в робототехнике, а также выполнен анализ существующих на сегодняшний день методов управления, применяемых в этой отрасли. Путем анализа существующих доступных публикаций было установлено, что целесообразной является собственная разработка стенда, посвященного принципам управления в робототехнике (в первую очередь, в связи с высокой стоимостью существующих интерактивных решений). Сформулированы основные требования к такой разработке.

Далее путем детального анализа принципов управления, были отобраны три метода, которые было бы целесообразно реализовать в рамках создания соответствующего стенда. А именно, это ручное управление, пропорциональное управление и нечеткое управление. Детально рассмотрены особенности трех этих видов управления. С учетом этих трех выбранных видов управления, предложено решение по механической части такого стенда в виде простейшего варианта мостового крана в виде кран-балки опорного типа. При этом из управляемых переменных выделена только подача привода линейного перемещения подвеса вдоль кран-балки, а контролируемые переменные – это текущая координата подвеса при его движении вдоль балки, а также угол отклонения подвеса от вертикали.

Предложены конкретные модели механических и электрических элементов, с помощью которых возможна реализация спроектированного стенда в натурном виде. Оценена эффективность предложенного решения, причем с экономической точки зрения. Установлено, что при использовании одного стенда экономия средств на внедрение такого стенда может составлять от 85 тыс. руб. и выше, а при фронтальном способе проведения лабораторных работ – от 850 тыс. руб. и выше.

Разработаны базовые методические указания по использованию такого стенда с тремя основными участками: ручного управления (одной степенью свободы), пропорционального автоматизированного и нечеткого автоматического управления.

Таким образом, учитывая преимущества выполненного решения, оно может быть рекомендовано к внедрению в учебный процесс по дисциплинам «Теория автоматического управления», «Системы автоматизированного управления», спецкурсам физики и т.п. В целом работа может считаться завершенной, а ее цель – достигнутой.

Фрагмент текста работы:

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ УПРАВЛЕНИЯ В РОБОТОТЕХНИКЕ

1.1 Определение и суть понятия «управление» в робототехнике

На сегодняшний день робототехнические устройства (далее в тексте для краткости будет использоваться слово «робот») не обладают собственным сознанием (да и неизвестно, будет ли когда-то создано такое искусственное сознание), поэтому должны управляться в своей деятельности человеком. Структурная схема типичного робота с точки зрения процесса управления им приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Структура типовой роботизированной системы

Концептуально могут быть использованы различные подходы к управлению роботами:

— полностью ручное управление, когда человек-оператор в непрерывном режиме получает данные с различных датчиков, подсоединенных к роботу (в т.ч. визуальные изображения с его камер) и на основе своего опыта и знаний, а также руководящих документов, инструкций и правил вырабатывает управляющие воздействия, немедленно направляемые по каналу связи обратно на исполнительные устройства робота;

— автоматизированное управление, когда оператор задает роботу некоторые начальные данные, представляющие собой определенную прикладную задачу, а затем следует этап самостоятельного решения роботом этой задачи (в процессе которого оператор обычно мало вмешивается в работу устройства, но в целом имеет такую возможность, например, может корректировать действия робота);

— автоматическое управление, когда создатели робота вкладывают в него все необходимые для его работы сведения (например, управляющие программы) на этапе разработки, а затем основную часть времени своего существования робот проводит в полностью автоматическом режиме, без получения каких-либо управляющих команд со стороны оператора (при этом робот может активно взаимодействовать с людьми, получая от них входную информацию или материальные объекты для обработки и предоставляя им ее результаты, однако команды управления в таком входном потоке отсутствуют).

С точки зрения способов построения систем автоматического управления, выделяют замкнутые системы (с обратными связями) и разомкнутые. Последний случай характеризуется учетом только N входных переменных {xi | i = 1..N}, поступающих на датчики робота из внешней среды – рис. 1.2. Только на основе этих сведений вырабатываются M управляющих сигналов {yj | j = 1..M}, подающихся на исполнительные устройства робота и соответственно влияющих на изменение его состояния, в том числе относительно внешней среды. Состояние робота описывается совокупностью K переменных {sk | k = 1..K}. В данном случае (разомкнутое управление) эти переменные {sk} не подаются более на вход системы управления и интересуют лишь потребителя информации или материальных объектов, появляющихся на выходе робототехнической системы.