Определение движения механических объектов по данным измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.01, кандидат физико-математических наук Глотов, Юрий Николаевич

• Глотов, Юрий Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Глотов, Юрий Николаевич

Введение

Глава 1. Определение движения стержня по данным видеоизмерений

1.1. Математическая модель движения стержня.

1.2. Определение движения стержня по данным измерений.

1.3. Пример определения движения стержня по данным измерений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение движения механических объектов по данным измерений»

При разработке методов удаленного управления роботами в среде Интернет необходимо учитывать наличие неопределенных временных задержек в канале связи. Временные задержки наиболее остро проявляются при взаимодействии робота с подвижным объектом. Управление таким взаимодействием целесообразно осуществлять с применением динамической модели объекта, позволяющей прогнозировать его движение. Примером такого взаимодействия может служить задача захвата стержня, качающегося на бифилярном подвесе, роботом-манипулятором, управляемым через Интернет. Колебания стержня регистрируются ТВ-камерой, которая поставляет необходимые для выполнения прогноза измерения и обеспечивает удаленному оператору обзор рабочего пространства робота. Разработанная ранее методика автоматизированного захвата стержня позволяла спрогнозировать его движение на несколько секунд вперед, вывести манипулятор в точку захвата и выполнить захват. Однако данная методика не обеспечивает необходимой точности прогноза на более продолжительные интервалы времени, что в задаче управления роботом через Интернет является критическим. Одним из возможных способов успешного решения данной задачи является построение более точной математической модели, основанной на нелинейных уравнениях движения стержня.

Систему технического зрения, выполняющую функцию измерительного прибора, можно также использовать для измерения остаточных микроускорений на борту космических аппаратов. В сентябре 2007 г. на борту спутника Фотон М-3 был произведен эксперимент по определению квазистатических (низкочастотных) микроускорений посредством обработки последовательности видеокадров пробного тела, совершающего свободное движение. В перспективе такая установка может быть использована для проверки бортовых акселерометров в области низких частот. В связи с этим необходимо детальное изучение точностных возможностей и способов автоматизации процесса обработки видеоизмерений для дальнейшего совершенствования использованной установки.

Определение низкочастотных микроускорений на борту космических аппаратов необходимо проводить для обработки результатов экспериментов с гравитационно-чувствительными системами. На спутниках серии Фотон такие эксперименты проводились только во время неуправляемого полета. Полет перспективных спутников будет проходить в ориентированном состоянии, их ориентация будет поддерживаться с помощью гироскопических устройств — гиродинов или двигателей-маховиков. В таком случае для реконструкции их вращательного движения необходимо использовать более сложную математическую модель. Эта модель должна включать как уравнения движения собственно спутника, так и уравнения, описывающие функционирование системы управления ориентацией. Детальные уравнения управляемого вращательного движения спутника обычно сложны, и их практически невозможно использовать для реконструкции этого движения. Если ограничиться расчетом квазистатических микроускорений, то можно воспользоваться упрощенными уравнениями. Чтобы как-то компенсировать сделанные упрощения, в уравнения следует ввести малые случайные возмущения и для отыскания их решений использовать сглаживающий фильтр Калмана. Для проверки работоспособности данной методики необходимо ее тестирование на известных неуправляемых и управляемых движениях космических аппаратов, например, движениях спутника Фотона М-3.

Диссертация посвящена решению перечисленных задач и содержит три главы. В первой главе рассматривается задача определения движения стержня, качающегося на бифилярном подвесе, по данным видеоизмерений. Исходной информацией служат координаты концевых точек изображения стержня на ПЗС-матрице ТВ-камеры. Получаемая последовательность измерений накапливается на некотором отрезке времени и затем обрабатывается методом наименьших квадратов с помощью интегрирования нелинейных уравнений движения стержня. Приводятся примеры обработки реальных данных измерений и экспериментальные оценки точности определения движения стержня. Разработанное программное обеспечение предназначено для управления через Интернет роботом-манипулятором, захватывающим подвижный объект. Новым здесь является использование полных нелинейных уравнений движения объекта, позволившее прогнозировать это движение на несколько десятков секунд вперед с ошибкой расчета координат точки захвата менее 1 см и компенсировать временные задержки Интернета.

Вторая глава посвящена определению квазистатических микроускорений на борту космического аппарата по видеоизображению движущихся объектов. Обработаны результаты космического эксперимента по определению квазистатических микроускорений на борту искусственного спутника Земли по видеоизображению объектов, совершающих свободное движение. Эксперимент проводился на КА Фотон М-3 в сентябре 2007 г. В кубической коробке, закрепленной на корпусе спутника и имеющей две прозрачные соседние стенки, движутся несколько дробинок. Их движение снимается цифровой видеокамерой. Видеокамера установлена напротив одной из прозрачных стенок, под углом к другой прозрачной стенке установлено зеркало. Такая оптическая система позволяет в одном кадре получать изображение дробинок с двух точек зрения. Съемка движения дробинок производилась на отрезках времени продолжительностью по 96 с. Паузы между этими отрезками также были равны 96 с. Специальная обработка отдельного кадра позволяет определять координаты центров дробинок в системе координат камеры на момент времени получения кадра. Последовательности кадров, относящихся к непрерывному отрезку съемки, обрабатывались следующим образом. Зависимость от времени каждой координаты каждой дробинки аппроксимировались полиномом второй степени. Коэффициент при квадрате времени равен половине значения соответствующей компоненты микроускорения. Как показала проведенная обработка, описанный способ определения квазистатических микро-, ускорений оказался достаточно чувствительным и точным. Его можно использовать для тестирования космических акселерометров, измеряющих остаточг* 2 ные микроускорения на борту КА порядка 10 м/с в частотном диапазоне 0 - 0.01 Гц.

В третьей главе описан подход, позволяющий определять квазистатические микроускорения на борту космического аппарата во время ориентированного полета. Мониторинг квазистатических микроускорений, имевших место на К А серии Фотон, выполнялся следующим образом. Сначала по измерениям бортовых датчиков, полученным на некотором отрезке времени, строилась реконструкция вращательного движения КА на этом отрезке. Затем вдоль найденного движения микроускорение в заданной точке борта рассчитывалось по известной формуле в функции времени. Вращательное движение КА представлялось решением его уравнений движения. Поскольку движение Фотонов было неуправляемым, используемые уравнения были достаточно просты и точны. Полет новых Фотонов и перспективных КА, предназначенных для микрогравитационных исследований, будет проходить в ориентированном состоянии; их ориентация будет поддерживаться с помощью гироскопических устройств — гиродинов или двигателей-маховиков. В таком случае для детальной реконструкции его вращательного движения необходимо использовать существенно более сложную математическую модель. Эта модель должна включать как уравнения движения собственно КА, так и уравнения, описывающие функционирование системы управления ориентацией. В данной главе рассмотрен подход, использующий редуцированную модель ориентированного движения К А. Модель предназначена для реконструкции движения сглаживающим фильтром Калмана и расчета микроускорений в области низких частот. Адекватность предлагаемого подхода проверена посредством реконструкции по данным магнитных измерений участков управляемого полета КА Фотон М-3 и на модельной информации, полученной для одного из разрабатываемых КА.

Заключение диссертации по теме «Теоретическая механика», Глотов, Юрий Николаевич

Основные результаты

Таким образом, в диссертационной работе получены следующие основные результаты:

• Предложен алгоритм определения движения стержня, качающегося на бифилярном подвесе, по данным видеоизмерений. Математическая модель движения, использованная в данном подходе, основана на нелинейных уравнениях и позволяет прогнозировать движение стержня на несколько десятков секунд вперед с ошибкой расчета координат концов стержня менее 1 см. Разработанное программное обеспечение может быть использовано для управления роботом-манипулятором через Интернет.

• Обработаны результаты космического эксперимента по определению квазистатических (низкочастотных) микроускорений на борту искусственного спутника Земли по видеоизображению объектов, совершающих свободное движение. Эксперимент проводился на КА Фотон М-3 в сентябре 2007 г. Движение объектов снималось цифровой видеокамерой. Специальная обработка видеокадров позволила определить координаты центров дробинок, по которым затем находились компоненты квазиста-тичского микроускорения в центре коробки. Как показала проведенная обработка, предложенный способ определения микроускорений оказался достаточно чувствительным и точным. При необходимой доработке установки ее можно использовать для тестирования в космических условиях акселерометров, измеряющих остаточные микроускорения на я /2 борту КА порядка 10-ь м/с в частотном диапазоне 0 — 0.01 Гц.

• Описан подход, позволяющий определять квазистатические микроускорения на борту ориентированного космического аппарата, ориентация которого поддерживается с помощью гироскопических устройств — ги-родинов или двигателей-маховиков. Предложенная математическая модель управляемого вращательного движения спутника, основанная на упрощенных уравнениях движения, предназначена для реконструкции движения сглаживающим фильтром Калмана и расчета микроускорений в области низких частот. Адекватность предлагаемого подхода проверена посредством реконструкции по данным магнитных измерений участков управляемого полета К А Фотон М-3 и на модельной информации, полученной для одного из разрабатываемых КА.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Глотов, Юрий Николаевич, 2011 год

1. Белоусов И. Р., Богуславский А. А., Емельянов С. Н. и др. Захват подвижного объекта роботом-манипулятором // Известия. РАН. МТТ. 1998. № 4. С. 102-116.

2. Белоусов И. Р., Сазонов В. В., Чебуков С. Ю. Захват подвижного объекта роботом-манипулятором, управляемым через Интернет // ДАН. 2002. Т. 387. № 4. С. 478-481.

3. Сазонов В. В., Чебуков С. Ю., Абрашкип В. И. и др. Анализ низкочастотных микроускорений на борту ИСЗ Фотон-11 // Космические исследования. 2001. Т. 39. № 4. С. 419-435.

4. Абрашкин В. И., Балакин В. Л., Белоконов И. В. и др. Неуправляемое вращательное движение сиутника Фотон-12 и квазистатические микроускорения на его борту // Космические исследования. 2003. Т. 41. № 1. С. 45-56.

5. Сазонов В. В., Чебуков С. Ю., Абрашкин В. И. и др. Низкочастотные микроускорения на борту ИСЗ Фотон-11 // Космические исследования. 2004. Т. 42. № 2. С. 185-200.

6. Абрашкин В. И., Богоявленский Н. Л., Воронов К. Е. и др. Неуправляемое движение спутника Фотон М-2 и квазистатические микроускорения на его борту // Космические исследования. 2007. Т. 45. № 5. С. 450-470.

7. Сазонов В.В., Комаров М. М., Полежаев В. И. и др. Микроускорения па орбитальной станции Мир и оперативный анализ гравитационной чувствительности конвективных процессов тепломассоперехода // Космические исследования. 1999. Т. 37. № 1. С. 86-101.

8. Beuselinck Т., Van Bavinchove С., Sazonov V. V., Chebukov S. Y. Analysis of quasi-steady component in acceleration measurement data obtaind onboard Foton M-2 // Препринт ИПМ им. M.B. Келдыша РАН. 2008. № 8.

9. Бард Й. Нелинейное оценивание параметров. Москва: Статистика, 1979.

10. Богуславский А. А., Глотов Ю. Н., Левтов В. Л. и др. Математическая обработка результатов эксперимента "Дииамика-М", проведенного на борту КА Фотон М-3 // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2008. №65.

11. Абрашкин В. И., Волков М. В., Егоров А. В. и др. Анализ низкочастотной составляющей в измерениях угловой скорости и микроускорения, выполненных на спутнике Фотои-12 // Космические исследования. 2003. Т. 41. № 6. С. 632-651.

12. Абрашкин В. И., Казакова А. Е., Сазонов В. В., Чебуков С. Ю. Определение вращательного движения спутника Фотон М-2 по данным бортовых измерений угловой скорости // Космические исследования. 2008. Т. 46. № 2. С. 148-167.

13. Бойзелинк Т., Ван Бавинхов К., Сазонов В. В., Чебуков С. Ю. Анализ низкочастотной составляющей в измерениях микроускорения, выполненных на спутнике Фотон М-2 // Космические исследования. 2008. Т. 46. № 5. С. 463-483.

14. Бойзелинк Т., Ван Бавинхов К., Сазонов В. В., Чебуков С. Ю. Определение вращательного движения спутника Фотон М-2 по данным измерений микроускорения // Космические исследования. 2009. Т. 47. № 6. С. 463-483.

15. Бойзелинк Т., Ван Бавинхов К., Абрашкин В. И. и др. Определение вращательного движения спутника Фотоп М-3 по данным бортовых измерений магнитного поля Земли // Космические исследования. 2010. Т. 48. № 3. С. 252-265.

16. Сазонов В. В. Обработка данных измерений угловой скорости и микроускорения, полученных на спутнике Фотон 12 // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2008. № 62.

17. Beuselinck Т., Van Bavinchove С., Sazonov V. V. Quasi-steady acceleration onboard Foton M-3 spacecraft // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2010. № 8.

18. Beuselinck Т., Van Bavinchove С., Sazonov V. V. Some tests of acceleration measurement data obtained onboard Foton M-3 // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2010. № 16.

19. Игнатов А. И., Сазонов В. В. Реализация режимов вращательного движения ИСЗ с малым уровнем остаточных микроускорений электромеханическими исполнительными органами // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2008. № 91.

20. Игнатов А. И., Сазонов В. В. Оценка остаточных микроускорений на борту ИСЗ в режиме одноосной солнечной ориентации // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2009. № 65.

21. Эльясберг П. Е. Определение движения по результатам измерений. Москва: Наука, 1976.

22. Rauch Н. Е., Tung F., Striebel С. Т. Maximum likelihood estimates of linear dynamic systems // AIAA Journal. 1965. Vol. 3. № 8. Pp. 1445-1450.