Разработка системы управления мобильных роботов с использованием нечетких моделей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Цюй Дуньюэ

• Цюй Дуньюэ
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Цюй Дуньюэ

Введение.

Глава 1. Анализ особенностей и характеристик мобильных роботов.

1.1. Анализ характерных особенностей колесных мобильных роботов и описание областей применения.

1.1.1. Мобильные роботы: решаемые задачи, области применения, обобщенный состав и классификация.

1.1.2. Обзор типичных видов мобильных роботов.

1.1.3. Мобильные роботы производства КНР.

1.2.0собенности управления мобильными роботами.

1.2.1. Устройство управления робота.

1.2.2. Особенности систем управления мобильных роботов.

1.2.3. Особенности управления человеком-оператором средствами передвижения.

1.2.4. Направления развития мобильных роботов.

1.3. Выводы по главе.

Глава 2. Разработка математической модели для управления колесными мобильными роботами.

2.1. Конструкция колесных роботов.

2.2. Модели движения колесных роботов.

2.2.1. Динамические модели колесных роботов.

2.2.2. Кинематические модели колесных роботов.

2.3. Управляющие модели колесных роботов.

2.3.1. Управляемая кинематическая модель колесного робота.

2.3.2. Управляемая динамическая модель колесного робота.

2.4. Выводы по главе.

Глава 3. Управление мобильным роботом на основе нечетких моделей.

3.1. Теория нечеткой логики.

3.1.1. Нечеткое множество.

3.1.2. Нечеткая логика.

3.1.3. Системы нечеткого вывода.

3.2. Нечеткие системы управления.

3.2.1 Обобщенная структура нечеткого регулятора.

3.2.2. Типовые структуры нечетких систем управления.

3.2.3. Синтез нечетких регуляторов.

3.2.4. Особенность управления нечетких систем.

3.2.5. Способ организации управления движением мобильного робота

3.3. Нечеткая модель управления колесным роботом.

3.3.1. Постановка задачи управления колесным роботом на основе нечеткой логики.

3.3.2. Построение базы нечетких лингвистических правил.

3.3.3. Операции с нечеткими множествами.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Моделирование мобильных роботов на основе колесных роботов P3-DX.

4.1. Системы технического зрения колесного робота.

4.2 Разработка системы управления колесным роботом P3-DX.

4.2.1. Моделирование в среде MATLAB.

4.2.2 Динамическое управление колесным роботом P3-DX.

4.2.3 Кинематическое управление колесным роботом P3-DX.

4.2.4 Нечеткое управление колесным роботом P3-DX.

4.3 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы управления мобильных роботов с использованием нечетких моделей»

Актуальность темы. В настоящее время в мире интенсивно расширяются области исследований и использования мобильных роботов - меха-тронных систем, базирующихся на последних достижениях механики, микропроцессорной техники, контрольно-измерительных систем, информатики и теории управления.

Для успешного выполнения обширного круга задач роботы должны обладать как мобильностью, так и способностью интерпретировать, планировать и автоматически выполнять полученное задание, используя бортовую вычислительную систему. Их особенность - возможность достижения заданной цели в неопределенной внешней среде, избегая столкновений со стационарными препятствиями и подвижными объектами.

Сейчас уверенное функционирование мобильных роботов может быть обеспечено в относительно знакомых и хорошо структурированных рабочих пространствах. Развиты методы управления роботами на основе хорошо сформулированных моделей и алгоритмов. При работе в незнакомом или изменяющемся окружении мобильный робот должен обладать способностью адаптироваться к изменениям в окружающей среде, реагировать на непредусмотренные ситуации и действовать на основании предыдущего опыта. Таким образом, робот нуждается в системе управления с элементами искусственного интеллекта[ 12,17,18,40,54,61,85].

Колесные роботы предназначены для инспектирования помещений или перемещения различных предметов от одного пункта к другому в неструктурированном, и поэтому не всегда безопасном для человека рабочем пространстве. Первые попытки создания промышленных колесных роботов были связаны с построением гибких производственных систем. Движение осуществлялось по магнитной полосе, помещенной в цехе на глубине нескольких десятков сантиметров от пола, или по светоотражающей полосе на полу цеха.

Как объект управления колесный робот является многоканальной нелинейной динамической системой. Несмотря на то, что к настоящему времени проведен целый ряд исследований в области управления мобильными колесными роботами, универсальные подходы к синтезу систем автоматического управления колесными роботами разработаны недостаточно [12,17,18,40,54,85].

Диссертационная работа основывается на результатах, достигнутых научными коллективами, руководство которыми осуществляли А.В.Леоненков, А.С.Ющенко, В.Г.Градецкий, В.Л.Сосонкин, И.М.Макаров, И.В.Мирошник, Е.И.Юревич, Р.Э.Стельмаков, С.Л.Зенкевич, С.Ф.Бурдаков, Ю.В.Подураев, Ю.М.Соломенцев.

Таким образом, актуальность темы исследования определяется необходимостью создания более совершенных систем управления колесных роботов, удовлетворяющих современным требованиям к качественным и количественным характеристикам движения и учитывающих нелинейные свойства математических моделей управляемых объектов.

Цель работы и основные задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка системы управления мобильных колесных роботов на основе нечетких моделей с использованием универсальных кинематических и динамических моделей колесных роботов, и алгоритмов контурного управления движением.

Достижение указанных целей предполагает решение следующих основных задач:

1.Провести сравнительный анализ структурных свойств кинематических схем ходовой части колесных роботов.

2.Систематизировать методы построения и анализа математических моделей колесных роботов.

3.Решить задачи управления, обеспечивающие движение колесного робота по желаемой траектории, и разработать структуру систем управления.

4.Разработать способ нечеткого логического вывода, пригодного для автоматического управления мобильным роботом.

5.Разработать систему нечеткого управления для обеспечения движения колесного робота по желаемой траектории. б.Решить задачи управления колесным роботом P3-DX.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе автор использовал теорию автоматического управления, теорию дифференциальных уравнений, теорию нечетких множеств и нечеткого управления, методы математического моделирования динамических систем, методы нечеткого моделирования систем, а также специальные разделы алгебры и геометрии. Исследование работоспособности разрабатываемых алгоритмов проводилось путем моделирования с использованием математических пакетов Matlab Simulink.

Структура работы.

В первой главе представлен аналитический обзор областей применения колесных роботов; дана классификация колесных роботов, рассмотрена обобщенная структура мобильного робота и устройства управления мобильным роботом; описаны основное принципы исследования мобильными роботами КНР.

Во второй главе рассмотрены конструкции колесных роботов, приведены наиболее общие подходы к построению кинематических и динамических моделей колесных роботов; детально описаны универсальные модели многоколесного робота; представлена кинематическая и динамического модели колесного робота при условии отсутствия проскальзывания.

В третьей главе рассмотрена теория нечеткой логики, описаны задачи автоматического управления на основе нечеткой логики; построены модели нечеткого управления колесными роботами, в том числе:

• определены задачи управления колесным роботом на основе нечетких логик;

• представлены переменные входных и выходных систем нечеткого управления;

• рассмотрено формирование базы правил систем нечеткого вывода, а также особенности формирования базы правил;

• активизация подзаключений в нечетких правилах продукций;

• аккумуляция заключений нечетких правил продукций;

• дефаззификация выходных переменных.

В четвертой главе осуществлено моделирование алгоритмов траектор-ного управления движением колесного робота с автомобильной компоновкой колес и колесного робота с двумя независимыми ведущими колесами для кинематической, динамической и нечеткой моделей, представлены результаты моделирования.

Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту основные результаты, обладающие научной новизной:

• структура и универсальные математические модели системы нечеткого управления трехколесным мобильным роботом;

• алгоритмы контурного управления движением мобильного робота на основе разработанных кинематической, динамической и нечеткой моделей;

• процедуры построения систем нечеткого управления движением трехколесных мобильных роботов по желаемой траекторий.

Практическая ценность работы. Предложенные в работе универсальный математический модель позволяет получать законы управления нелинейными динамическими, кинематическими и нечеткими моделями колесных роботов. Полученные результаты в диссертационной работе могут быть использованы в системах управления автономными колесными роботами, которые применяются в инспекционных роботах, погрузочно-разгрузочных работах, исследовании планет, бортовых автопилотах автомашин в сельском хозяйстве, строительных роботах.

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Цюй Дуньюэ

4.3 Выводы по главе

В данной главе рассмотрена система технического зрения мобильного робота. В среде MATLAB моделирование кинематический и динамический и нечеткий модели на основе американского мобильного робота P3-DX. Проанализировав результаты экспериментов, мы получили следующие выводы:

• Созданные динамические и кинематические модели целесообразно управление колесным роботом двигается по заданным условиям.

• Созданные нечеткие модели целесообразно управление колесным роботом двигается в неопределенной среде.

• Показал преимущества и недостаток нечеткой модели и традиционной модели.

• Нечеткая переменная структура целесообразно для управления колесным роботом в сложной среде.

Заключение

В диссертационной работе были получены следующие основные научно-технические результаты.

1. Решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в анализе современных методов управления мобильными роботами и разработке системы управления колесными роботами на основе нечетких моделей.

2. Показаны основные направления разработок и исследований мобильных роботов в КНР.

3. На основе систематизации методов построения и классификации математических моделей мобильных роботов построены универсальные математические модели системы нечеткого управления трехколесным мобильным роботом на основе кинематической и динамической теории.

4. Разработана процедура построения управления мобильным роботом на базе нечеткой логики и способ нечеткого логического вывода, пригодный для автоматического управления мобильным роботом в неопределенной внешней среде.

5. Проведен сравнительный анализ структурных свойств кинематических схем ходовой части колесных роботов и решены задачи управления, обеспечивающие движение трехколесного робота по желаемой траектории на плоскости.

6. Предложены алгоритмы контурного управления движением мобильного робота по желаемой траектории на основе разработанных кинематической, динамической и нечеткой моделей.

7. Разработаны алгоритмы управления траекторным движением колесным роботом P3-DX с двумя независимым ведущими колесами, модели которых определяются выведенными кинематическими и динамическими и нечеткими соотношениями.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Цюй Дуньюэ, 2007 год

1. Алиев Р.А., Абдикеев Н.М., Шахназаров М.М. Производственные системы с искусственным интеллектом. - М: Радио и связь. 1990. - 264 с.

2. Алтунин А.Е., Семухин М.В. Модели и алгоритмы принятия решений в нечетких условиях. Тюмень: Изд-во Тюменского государственного университета, 2000. 352 с.

3. Архангельский В.И., Богаенко И.Н., Грабовский Г.Г., Рюмшин Н.А. Системы фуцци-управления. К.: Тэхника, 1997. - 208 с.

4. Барбашова Т.Ф., Кирильченко А.А., Колганов, М.А. Некоторые аспекты использования метода потенциалов при управлении мобильными роботами-М: 2004.-26с

5. Батанов А. Ф., Грицынин С. Н., Муркин С. В. Робототехнические комплексы для обеспечения специальных операций // Специальная Техника. 1999. №6.

6. Беллман Р., Заде JI. Принятие решений в расплывчатых условиях В кн.: Вопросы анализа и процедуры принятия решений - М.:Мир, 1976. -С. 172-215.

7. Берштейн JI.C., Боженюк А.В. Нечеткие модели принятия решений: дедукция, индукция, аналогия. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 110 с.

8. Борисов А.Н., Алексеев А.В., Крумберг О.А. и др. Модели принятия решений на основе лингвистической переменной. Рига: Зинатне, 1982. -256 с.

9. Борисов А.Н., Алексеев А.В., Меркурьева Г.В. и др. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений М: Радио и связь.1989.-304 с.

10. Ю.Борисов А.Н., Крумберг О.А., Федоров И.П. Принятие решений на основе нечетких моделей. Примеры использования- Рига: Зинатне,1990.-184 с.

11. Бочарников В.П. Fuzzy-Технология: математические основы практикамоделирования в экономике. Санкт-Петербург, 2001, 328 с.

12. Бурдаков С.Ф., Мирошник И.В., Стельмаков Р.Э. Системы управления движением колесных роботов. -СПб.:Наука, 2001 -229с.

13. Вощинин А.П., Сотиров Г.Р. Оптимизация в условиях неопределенности. Изд-во МЭИ (СССР) и Техника (НРБ), 1989. - 224с.

14. Вьюненко Л.Ф., Вяххи И.Э., Сухих Р.Д. Нетрадиционная робототехника. -СПб.:Петерб. гос. ун-т путей сообщ., 2001.

15. Георгиевич Ч.В .Нечеткие контроллеры. Основы теории и построения. Владимир.: Владим. гос. ун-т, 2003 (РЖ ун-та)

16. Герасимов Б.М., Дивизнюк М.М., Субач И.Ю. Системы поддержки принятия решений: проектирование, применение, оценка эффективности. Севастополь: Научно-исследовательский центр вооруженных сил Украины "Государственный океанариум".- 2004. 320с.

17. Голубев Ю.Ф. Построение движений робота-снейкбордиста. -М.: б. и.,2004.

18. Градецкий В.Г., Вешников В.Б., Калиничеко С.В. Управляемое движение мобильных роботов по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям. М.:Наука,2001

19. Демидова Л.А., Кираковский В.В., Пылькин А.Н. Алгоритмы и системы нечеткого вывода при решении задач диагностики городских инженерных коммуникаций в среде MATLAB. М.: Радио и связь, Горячая линия - Телеком, 2005. - 365 с.

20. Дружинина И.В., Цюй Дуньюэ, Подураев Ю.В., Карлов К.Р., Ермолов И.Л. Особенности использования нечетких моделей в задачах управления движением мехатронных объектов. Мехатроника, автоматизация,управление, 2007, №10, С.30-33.

21. Дюбуа Д., Прад А. Теория возможностей. Приложения к представлению знаний в информатике М: Радио и связь. 1990. - 288 с.

22. Ермолов И.Л., Лысенко О.Н., Подураев Ю.В Математические модели "робот-рабочий орган-инструмент-рабочий процесс" в системе автоматизированного программирования промышленных технологических роботов //Мехатроника. 2002.№2.

23. Ермолов И.Л., Мор Ф.Р., Подураев Ю.В, Шведов В.В. Мобильные роботы для инспекции и ремонта подземных трубопроводов: современное состояние и перспективы развития //Мехатроника. 2002.№1.

24. Илюхин Ю.В. Совершенствование систем управления механообраба-тывающих технологических роботов на основе концепций мехатроника //Мехатроника. 2001.№2.

25. Илюхин Ю.В., Подураев Ю.В. Проектирование исполнительных систем роботов. Линеаризованные системы. М.: Изд-во МПИ, 1989.31 .Кирильченко А.А., Ладынин И.Г., Петрина A.M. Технология выбора экспертных схем управления мобильным роботом.- М.: ИПМ 1997,-28с

26. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. -Физматлит, 2001. 224 с.

27. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств М.: Радио и связь, 1982.-432 с.

28. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuz-zyTECH. СПб: БХВ-Петербург. 2003. 736с.

29. Лукьянов А.А. Интеллектуальные задачи мобильной робототехники. -Иркутск: Изд-во Иркутск, гос. Ун-та, 2005.-312

30. Медведев В.А., Шиянов А.И. Управление роботами. Воронеж.гос.техн.ун-т, 2003 с.

31. Малышев Н.Г., Бернштейн Л.С., Боженюк А.В. Нечеткие модели для экспертных систем в САПР. М.: Энергоиздат, 1991. - 136 с. Аннотация

32. Макаров И.М Робототехника: История и перспективы. М.: Наука,2003.

33. Мелихов А.Н., Берштейн Л.С., Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой. -М.: Наука, 1990 272 с.

34. Медведев В. А. Шиянов А.И. Управление роботами. Воронеж.: 2003. -187 с.

35. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. М.: Химия, 1995.-368 с.

36. Минаев Ю.Н., Филимонова О.Ю., Бенамеур Лиес. Методы и алгоритмы решения задач идентификации и прогнозирования в условиях неопределенности в нейросетевом логическом базисе. -М.: Горячая линия -Телеком, 2003.-205 с.

37. Мирошник И.В. Согласованное управление многоканальными системами. Л.: Энертеатомиздат, 1990

38. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков А.Л. Нелинейное и адаптивное управление сложным динамическими системами. СПБ.: Наука,2000

39. Митюшкин Ю.И., Мокин Б.И., Ротштейн А.П. Soft-Computing: идентификация закономерностей нечеткими базами знаний. Винница: УНГОЕРСУМ-Вшниця, 2002.- 145с.

40. Недосекин А.О. Нечетко-множественный анализ риска фондовых инвестиций. СПб: Изд-во Сезам, 2002. 181 с.

41. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллек-та/А.Н. Аверкин, И.З. Батыршин, А.Ф. Блишун, В.Б. Силов, В.Б. Тарасов. Под ред. Д.А. Поспелова М.:Наука.Гл.ред.физ.-мат. лит., 1986312 с.

42. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения/Под ред. P.P. Ягера.-М.: Радио и связь, 1986. 408 с.

43. Новые технологии управления движением технических объектов// Материалы. Новочеркасск,2003.

44. Орлов А.И. Задачи оптимизации и нечеткие переменные. М.: Знание, 1980.-64 с.

45. Павленко А. В. Новые технологии управления движением технических объектов : Сб. ст. по материалам 7-й Междунар. науч.-техн. Конф-Новочеркасск : Юж.Рос. гос. техн. ун-т (НПИ),-2004

46. Петрович Д. Н. Нечеткое управление в технических системах М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана

47. Подураев Ю.В. Анализ и проектирование мехатронных систем на основе критерия функционально- структурной интеграции // Мехатроника. Автоматизация. Управление. 2002. № 4.

48. Подураев Ю.В. Контурное управление и моделирование движения ма-нипуляционных роботов на основе динамических моделей в римановом пространстве //Известия РАН. Техническая кибернетика. 1993.№ З.С.191-200.

49. Подураев Ю.В., Логинов А.В. Синергетические математические модели многомерных мехатроных систем и их использование в задачах планирования и оптимизации движений манипуляционных роботов // Меха-троника.2001. №1.С.2-9.

50. Подураев Ю.В., Соколов А.Г. , Шомло Я. Реализация оптимальных по быстродействию и других сложных законов контурного движения роботов на базе системы программирования Lab VIEW. // Автоматизация и управление в машиностроении, N 12,1999.

51. Подураев Ю.В., Пожидаев И.В. Графическое моделирование движения мобильных роботов в реальном масштабе времени. // Тез.докл. научно-техн.конфер. "Новые материалы и технологии. НМТ-98 ", МГАТУ, 1998.

52. Подураев Ю.В., Мехатроника : основы, методы, применение : учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности "Мехатроника" направления подгот. "Мехатроника и робототехника"-М.: Машиностроение, 2006.-255с

53. Подураев Ю.В. Основы мехатроники: Учеб. пособие. М.:МГТУ "СТАНКИН",2000.

54. Подураев Ю.В. Результаты моделирования и экспериментальных исследований динамических характеристик манипулятора РИМА-560// Известия РАН. Техническая кибернетика. 1993.№4.С.166-182.

55. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления-М.: Энергоиздат, 1981.-232 с.

56. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика М. Наука, 1986.-288 с.

57. Представление и использование знаний. Пер. с япон. / Под. ред. X. Уэно, М. Исудзука. -М.: Мир, 1989 220 с.

58. Прикладные нечеткие системы/Асаи К., Ватада Д., Иван С. и др./Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугено М.: Мир, 1993. - 368 с.

59. Приобретение знаний / Под ред. С. Осуги, Ю. Саэки. М.: Мир, 1990. -304 с.

60. Робототехника: Новый этап развития // Серия" Кибернетика-неограниченные возможности и возможные ограничения". М.:Наука,1993.

61. Ротштейн А.П. Интеллектуальные технологии идентификации: нечеткая логика, генетические алгоритмы, нейронные сети. Винница: УНИВЕРСУМ-Винница, 1999. - 320 с.

62. Ротштейн А.П. Медицинская диагностика на нечеткой логике. Винница: Континент-ПРИМ, 1996. - 132 с.

63. Ротштейн А.П., Штовба С.Д. Нечеткая надежность алгоритмических процессов. Винница: Континент-ПРИМ, 1997. - 142с.

64. Ротштейн А.П., Штовба С.Д. Проектирование нечетких баз знаний: лабораторный практикум и курсовое проектирование. Учебное пособие. -Винница: Винницкий государственный технический университет, 1999 65с. (На укр. языке).

65. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский JI. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. М.: Горячая линия Телеком. 2004. 452с.

66. Степина В.В. Введение в робототехнику.-М.: Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования "Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики .1999.

67. Усков А.А., Круглов В.В. Интеллектуальные системы управления на основе методов нечеткой логики. Смоленск: Смоленская городская типография, 2003. 177 с. - ISBN 5-94223-038-2.

68. Усков А.А., Кузьмин А.В. Интеллектуальные технологии управления. Искусственные нейронные сети и нечеткая логика. М.: Горячая линия -Телеком. 2004. 144с.

69. Уткин JI.B., Шубинский И.Б. Нетрадиционные методы оценки надежности информационных систем. СПб.: Любавич, 2000. - 173 с.

70. Экстремальная робототехника // Материалы XI науч.- техн.конф. СПБ. :Изд-во СПБТУ,2001.

71. Юревич Е.И. Основы робототехники. 2-е изд., перераб. и доп. -СПБ.:БХВ - Петербург,2005.

72. Ярушкина Н.Г. Основы теории нечетких и гибридных систем. Учебное пособие. Финансы и статистика, 2004- 320с.