Способ управления подвижным объектом

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.

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.