автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели, алгоритмы и программное обеспечение систем управления роботами в динамической среде

^ЭДЭСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ^ДИОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

_

ч

На правах рукописи

Трипольский Павел Эдуардович

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТАМИ В ДИНАМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

Специальность: 05.13.01 Управление в технических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Трнпольский Павел Эдуардович

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТАМИ В ДИНАМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

Специальность: 05.13.01 Управление в технических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московском Государственном Институте Радиотехники, Электроники и Автоматики (Техническом Университете)

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор, академик РАЕН Лохин В.М.

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

■— доктор технических наук, профессор Кулешов B.C.

— кандидат технических наук Сонин А.Н.

— МВТУ им. Н.Э.Баумана.

f2D

Защита состоится «» 1998 г. на заседани

диссертационного совета Д 063.54.01 при Московском Государственно! Институте Радиотехники, Электроники и Автоматики (Техническо: Университете) по адресу: 117454, г. Москва, пр. Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА(ТУ).

Автореферат разослан «^О» ргЛ/с&^кгЯ1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

h

к.т.н., профессс Федотова Д.'

ОБЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные манипуляционные роботы нашли широкое применение как в промышленности, так и в других сферах хозяйственной деятельности человека. При этом круг задач, решаемых с помощью роботов, существенно расширился в последнее время. Помимо традиционных применений манипуляторов в таких производствах, как сборка, сварка, окраска, автоматизация вспомогательных операций в механообработке и т.д., особую роль сегодня приобретает использование роботов в тех задачах, где применение человеческого труда существенно затруднено или вообще невозможно. Постановка этих задач и их природа предполагает минимальное участие человека в процессе управления роботом, которое в идеале должно сводиться к выдаче задания роботу в наиболее общей, языковой форме.

Одной из характерных особенностей современных задач применения роботов является необходимость управления ими в динамической среде, которая характеризуется неопределенностью параметров, случайными изменениями внешних воздействий, неполнозаданностью целей и их возможной подвижностью, наличием подвижных препятствий, в том числе и других роботов, в рабочей зоне. При этом положение в пространстве как препятствий, так и целей может изменяться случайным образом и характер их движения заранее не известен. Один из наиболее сложных вариантов динамической среды — это работа группы роботов в общей рабочей зоне по реализации общего задания. Использование группы роботов вместо одного является перспективным направлением развития робототехнических систем, поскольку позволяет получить ряд существенных преимуществ, связанных с повышением производительности и отказоустойчивости системы, расширением ее функциональных возможностей и гибкости по отношению к решению широкого круга задач. Возможность реализации этих преимуществ существенным образом зависит от наличия развитых средств

моделирования, математического и программного обеспечения систем группового управления.

Задачи управления роботами в динамической среде, связанные с планированием действий и координацией движений манипулятора, носят ярко выраженный интеллектуальный характер. Это означает, что их решение предполагает приобретение, запоминание и целенаправленное преобразование знаний в процессе обучения на опыте и адаптации к разнообразным обстоятельствам. Использование традиционных методов для решения таких задач требует построения сложных формализованных моделей, формирование которых представляет собой достаточно трудоемкую, а в ряде случаев и нетривиальную задачу. С другой стороны, практическое использование таких моделей обычно связано со значительными вычислительными затратами, что особенно характерно для систем планирования перемещений и управления движением манипуляторов в динамической среде.

Одним из перспективных подходов эффективного решения задачи планирования и управления движением манипулятора в реальном времени в динамической среде является использование интеллектуальных технологий управления, в частности аппарата нечеткой логики, который позволяет формализовать многочисленные неопределенности, свойственные современным условиям функционирования роботов и интеллектуальному характеру решаемых ими задач. Практическое использование методов нечеткой логики в задачах управления роботами остается еще достаточно ограниченным, носит частный, локальный характер, а принципы и методики формирования прикладных логико-лингвистических моделей развиты слабо.

Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмов и программного обеспечения систем управления роботом, обеспечивающих его эффективное и безопасное функционирование в среде с динамическими препятствиями, подвижными целями и в группе роботов в общей рабочей зоне.

Залачи исследования. В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи:

- разработка принципов построения и структуры системы управления и выделение ее функциональных модулей, специфических для задач управления в динамической среде;

- разработка моделей, алгоритмов и программного обеспечения для управления роботами при работе в общей рабочей зоне;

- разработка логико-лингвистической модели и программного обеспечения системы управления целенаправленным движением манипулятора на основе нечеткого логического вывода;

- разработка модели и программного обеспечения системы управления движением манипулятора в среде с динамическим препятствием на основе нечеткого логического вывода;

- исследование зависимости параметров системы управления, основанной на нечетком логическом выводе, от характеристик логико-лингвистической модели, разработка принципов и методик построения логико-лингвистических моделей;

- настройка в соответствии с разработанными методиками моделей систем управления, основанных на нечетком логическом выводе, и их экспериментальное исследование;

- разработка программного обеспечения для моделирования и управления роботами в динамической среде и проведение экспериментальных исследований на промышленных и учебных роботах.

Методы исследования. При разработке системы фуппового управления использованы методы математического моделирования, аналитической геометрии, кинематического анализа, теории графов. Разработка и исследование моделей систем управления роботом в динамической среде основаны на математическом аппарате теории нечетких множеств и методах представления и обработки знаний на базе продукционного логического вывода. Исследование параметров

логико-лингвистических моделей проведено с привлечением численных методов. Программное обеспечение разработано на основе объектно-ориентированного подхода с использованием идей и методов, применяемых при построении современных прикладных программ реального времени.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- обоснован состав функциональных задач системы управления, характерных для работы манипулятора в динамической среде;

- разработан новый эффективный алгоритм группового управления роботами с произвольной кинематической схемой, инвариантный к количеству роботов, с низкими требованиями к вычислительным ресурсам и высокой надежностью;

- предложен новый подход к построению систем планирования действий и управления движением роботов в динамической среде, основанный на нечетком логическом выводе;

- предложены принципы формирования логико-лингвистических моделей для указанных задач;

- разработана система правил нечеткого логического вывода для решения задач планирования действий и управления движением манипулятора в динамической среде;

- разработаны методики исследования зависимости характеристик системы управления от параметров логико-лингвистической модели;

- сформулированы принципы настройки логико-лингвистической модели, обеспечивающие эффективное функционирование интеллектуальной системы управления.

Практическая ценность. Разработанное программное обеспечение системы группового управления роботами позволяет осуществлять управление в реальном времени промышленными роботами произвольных кинематических схем, количество которых ограничено в основном аппаратными ресурсами используемой ПЭВМ. Предусмотрена возможность

обработки нештатных ситуации, таких как потеря детали или отказ оборудования. Разработанное программное обеспечение используется в составе сборочных центров на базе двух промышленных роботов РМ-01 и учебных роботов Mentor. Экспериментальные исследования продемонстрировали полную работоспособность предложенного подхода.

Программное обеспечение системы управления целенаправленным движением манипулятора позволяет сформировать циклограмму движения робота РМ-01 для использования в программе «Универсальная среда программирования РМ-01 (УСПР)», разработанной на кафедре «Проблемы управления» МИРЭЛ(ТУ).

Разработанные логико-лингвистические модели и основанные на них алгоритмы управления движением манипуляторов принципиально ориентированы на прикладное применение нечеткого логического вывода. Детально отработана практическая реализация механизмов нечеткого логического вывода в системах реального времени, а сформулированные методики настройки логико-лингвистических моделей предоставляют разработчику прикладной системы управления эффективный аппарат формирования и практической реализации модели.

Реализация результатов работы. Разработанные модели и программное обеспечение использованы для создания интеллектуальной системы группового управления промышленными роботами РМ-01 в составе экспериментального учебно-исследопательского комплекса «Учебная ГПС» и в системе управления учебными сборочными роботами Mentor в составе лаборатории «Учебная ГПС на базе мини-роботов я локальной сети персональных ЭВМ», разработанных по приказам Минобразования РФ. Принципы построения систем управления роботами в динамической среде, модели и алгоритмы систем группового управления роботами произвольных кинематических схем использованы в НИР «КЛИН-МИРЭА-Г1» «Комплексный прогноз развития военной робототехники до 2005г. но результатам компьютерного интеллектуального моделирования и экспертных оценок», выполняемой но заданию Секции

прикладных проблем при Президиуме РАН. Теоретические и практические результаты, полученные при разработке моделей систем управления роботами в динамической среде, были использованы в учебном процессе кафедры «Проблемы управления» МИРЭА(ТУ) в курсах «Системы управления роботов и манипуляторов» и «Автоматизация программирования роботов» для специализации 21.03.09 «Робототехнические интеллектуальные системы».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах и конференциях МИРЭА(ТУ).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 5 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 175 страниц состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 163 страницах и иллюстрирован 76 рисунками.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы исследования, сформулированы цель и совокупность задач, решаемых в диссертационной работе, приводятся общие характеристики полученных результатов и краткое содержание глав работы.

В первой главе проведен анализ иерархической структуры интеллектуальной системы управления роботами, рассмотрены основные задачи стратегического и тактического уровня, их взаимосвязь и особенности. Выделены задачи, характерные для работы манипулятора в динамической среде, при этом в качестве наиболее сложной задачи выбрано управление группой роботов в общей рабочей зоне. Обоснована актуальность применения систем группового управления роботами для сборочных технологических процессов, а задача типа «сборка» предложена в качестве типовой для разработки и исследования таких систем. Выделены

и проанализированы основные стратегии группового управления роботами. Исследованы особенности и предложены подходы к решению задач целесообразного планирования действий и координированного взаимодействия, присущих системам управления манипуляторами в динамической среде.

На основе анализа традиционных подходов к решению рассмотренных задач показана необходимость применения интеллектуальных технологий представления и обработки знаний для решения задач тактического и стратегического уровней управления манипуляторами в динамической среде. Рассмотрены системы нечеткого логического вывода, представляющие одну из наиболее перспективных интеллектуальных технологий в задачах управления роботами в динамической среде и проанализированы возможности его применения для управления манипуляторами, характерные примеры использования и основные проблемы практической реализации.

Во второй главе для решения задачи типа «сборка» разрабатывается квазиравноправный алгоритм группового управления, реализующий оперативную пространственно-временную координацию действий нескольких манипуляторов с безопасной развязкой их движений. Формулируются основные принципы организации взаимодействия манипуляторов в группе.

Основу функционирования разработанного алгоритма составляет механизм распределения приоритетов между манипуляторами, осуществляющими операции, необходимые для выполнения общей задачи. Алгоритм состоит из двух основных функциональных блоков: блока расписания и блока движения. Блок расписания в дискретные моменты времени получает от реального робототехнического комплекса информацию о конфигурациях роботов, состояниях деталей, кассет и сборочных позиций, отказах в системе. После обработки этой информации блок расписания вырабатывает требования к роботам, формирует очереди на сборочные позиции и в соответствии со значимостью каждой операции,

текущим состоянием сборочного процесса, положением манипулятора относительно ключевых точек рабочей зоны и другими критериями наделяет манипуляторы приоритетами.

Предполагается, что каждый робот обладает глобальным приоритетом, который формируется по следующему правилу: приоритет равен номеру детали, которую робот должен установить согласно технологии минус номер последней установленной на данной сборочной позиции детали. Таким образом формируется несколько групп важности, причем каждой группе может принадлежать более чем один робот, т.к. несколько роботов могут иметь одинаковый глобальный приоритет. Глобальный приоритет не формируется на каждом временном шаге алгоритма, т.к. может быть изменен только следующими событиями:

- установка детали в сборочную позицию;

- потеря роботом детали;

- отказ робота.

После любого из этих событий происходит перераспределение глобальных приоритетов.

Формирование локальных приоритетов происходит на каждом временном шаге алгоритма. Все занятые роботы разбиваются на следующие группы:

1. Роботы, которые двигаются к сборочным позициям. Эти роботы, в свою очередь, разбиваются на подгруппы с одинаковыми глобальными приоритетами и внутри подгрупп сортируются по близости к сборочной позиции. Роботы из подгруппы с глобальным приоритетом, равным 1, получают локальный приоритет, равный номеру робота в этой подгруппе после указанной сортировки. Роботы из следующих подгрупп получают локальные приоритеты, равные номеру робота в этой подгруппе плюс количество роботов в предыдущих подгруппах.

2. Роботы, которые двигаются за деталями к кассетам. Эти роботы получают приоритеты согласно описанному выше правилу за исключением

того, что к приоритету дополнительно прибавляется константа, равная количеству роботов.

3. Может возникнуть ситуация, при которой робот, имеющий более низкий глобальный приоритет достигнет цели быстрее, чем робот, направляющийся к этой же цели, но с более высоким глобальным приоритетом. При продолжении действий будет нарушена технология, что недопустимо. В связи с этим в алгоритме вводится понятие «зона подхода». Роботам, которые достигли «зоны подхода», присваивается локальный приоритет, равный удвоенному количеству роботов.

4. Роботы, выполняющие технологические операции по установке детали на сборочную позицию или по выборке детали из кассеты. Эти роботы, как указывалось выше, не должны двигаться в течение нескольких тактов времени. Всем этим роботам присваивается локальный приоритет, равный нулю.

В результате описанных шагов оказывается, что к началу каждого такта все роботы обладают уникальными приоритетами, за исключением тех, которые выполняют операции на сборочной позиции или в кассете или находятся в «зоне подхода».

Блок движения формирует для следующего момента времени наиболее оптимальную и безопасную конфигурацию каждого робота. В каждый момент времени алгоритму известно только текущее состояние всего робототехнического комплекса и по этому состоянию формируется следующая совокупная конфигурация манипуляторов, т.е. множество конкретных значений всех присоединенных координат всех манипуляторов системы группового управления. В целом ачгоритм работы блока движения включает:

1. Определение неподвижных препятствий и роботов нулевой группы важности.

2. Выбор в качестве текущей группы роботов группы с наивысшим глобальным приоритетом.

3. Формирование совокупной конфигурации текущей группы роботов, безопасной по отношению к неподвижным препятствиям и группам роботов с более высоким приоритетом.

4. Определение группы отхода и формирование ее конфигурации, безопасной по отношению ко всем роботам с большим глобальным приоритетом. Повторение процедуры в случае появления новых роботов с меньшим приоритетом, для которых не выполняются требования безопасности.

5. Перемещение текущей группы роботов и группы отхода во вновь сформированные конфигурации.

Одной из задач организации движения нескольких манипуляторов в общей рабочей зоне является обеспечение отсутствия столкновений роботов друг с другом. Оптимизация решения данной задачи может быть достигнута путем применения предложенной и доказанной концепции локальной безопасности, основу которой составляют два утверждения:

Утверждение 1. Для любых двух отрезков, расстояние между которыми больше положительного числа 5 существует положительное число е такое, что при любых колебаниях концов отрезков в пределах е-окрестности, новые отрезки отстоят друг от друга на расстояние больше 6 (отрезки 5-не пересекаются) (рмс. 1).

Утверждение 2. Если конфигурации двух роботов отстоят друг от друга на расстояние, большее некоторого положительного 5, то существует положительное с такое, что конфигурации 6-не пересекаются (т.е. любые колебания роботов в пределах е-окрестности от исходных конфигураций также отстоят друг от друга на расстояние больше 5).

Разработанный алгоритм обеспечивает безопасное взаимодействие группы манипуляторов в общей рабочей зоне. Высокая эффективность алгоритма достигается за счет такого его свойства, как сочетание фактической независимости действий манипуляторов с оптимизацией выполнения задачи в целом, достигаемой с помощью распределения

p(a,b) — расстояние мемзду точками а и b

: p([a,b],[c,d]) = min{ p(t,s) 11 e [a,b], s e [c,d] }— расстояние между ! двумя отрезками

j А = p([a,b],[c,d]) > 5 > О

j S = (d-6)/2

Рис. 1. Геометрическая интерпретация концепции локальной безопасности.

приоритетов. Следует отметить и такое свойство разработанного алгоритма, как его практическая направленность, выраженная в возможности обработки ситуаций отказов роботов или потерь деталей, а также в способности осуществлять управление реальными роботами, как учебными, так и промышленными.

В третьей главе рассмотрен комплекс вопросов, связанных с применением математического аппарата нечеткого логического вывода для разработки интеллектуальных систем управления манипуляционными роботами в динамической среде. Обоснованы преимущества применения данного аппарата:

1. Аппарат нечеткой логики предоставляет возможность описания неточных категорий, представления нечетких знаний, использования понятий и оценок естественного языка, моделирования логических

рассуждений и принятия решений. Это позволяет достаточно легко провести всестороннее и компактное моделирование системы управления на качественном уровне, в отличие от традиционных методов, в которых формальное описание робота с учетом нелинейных перекрестных связей между исполнительными приводами обусловливает построение многопараметрических моделей большой размерности. Это в особенности характерно для широко распространенных манипуляторов с кинематической избыточностью, обеспечивающей дополнительную подвижность.

2. Применение классических методов для управления роботами существенно ограничивается трудностями формирования единого критерия, охватывающего различные, и зачастую противоречащие друг другу требования. Использование нечеткой логики позволяет произвести учет самых разнообразных требований на качественном уровне.

3. Методы нечеткой логики позволяют формализовать многочисленные неопределенности, свойственные современным условиям функционирования манипуляционных роботов и интеллектуальному характеру задач, которые перед ними ставятся. К основным источникам этих неопределенностей относятся погрешности измерений, неполная информация о рабочей среде, непредсказуемость ее изменений, случайность внешних возмущающих воздействий, неполная заданность целей.

На основе анализа особенностей применения теории нечетких множеств в прикладных системах сформулированы принципы построения логико-лингвистических моделей технических систем и основные требования к ним. Выявлены особенности механизма нечеткого логического вывода в прикладных системах и рассмотрены принципы его практической реализации. На базе этих принципов разработаны две модели:

- модель системы управления целенаправленным движением манипулятора;

- модель системы управления движением манипулятора с уклонением от динамического препятствия.

В первой модели движение манипулятора реализуется построением дискретной последовательности опорных точек траектории Р,, приводящей схват манипулятора в целевую точку:

где I — номер текущего шага движения,

— присоединенная координата7-10 звена (Ы — число звеньев),

— приращениеу'-й присоединенной координаты на /-м шаге. Таким образом, для управления движением необходимо вычисление приращений присоединенных координат на каждом шаге, что в рассматриваемой модели осуществляется с помощью нечеткого логического вывода в режиме реального времени и без решения обратной задачи кинематики. Основу логического вывода составляет база продукционных правил вида:

Если { X есть А ) то { У есть В )

где X — входная переменная, У — выходная переменная, А и В —

4 0з

схват

возможные нечеткие значения (термы)

переменных, описываемые функциями принадлежности, а утверждения типа

ОНИ'

( X есть А > —

нечеткие утверждения (в левой части

правил — предпосылки, а в правой — заключения). В ка-

Рис. 2. Переменные системы нечеткого честве входных пе-логического вывода для управления ременных использу-движением трехзвенного манипулятора

ются рассогласования между длинами и углами текущих радиус-векторов цели и схвата (рис 2):

ДЬ = ЬЦ-ЬС„ Д <р = <ра-<р<„ Выходными переменными являются приращения координат ДО.

Построены функции принадлежности и система продукционных правил для плоского трехзвенника, который представляет собой основу многих современных универсальных промышленных роботов, а с другой стороны является примером манипулятора с кинематической избыточностью.

+ н +м +с + б

+ н +м +с +б

+ н +м +с +б

Рис. 3. Функции принадлежности переменных ,ДЬиА(?;

Лингвистические понятия «нулевое», «малое», «среднее», «большое» (обозначения — Н, М, С, Б) характеризуют возможные значения переменных системы. Ь - максимально допустимое рассогласование по

длине радиус-вектора, соответствует суммарной длине звеньев; я - максимально допустимое рассогласование по углу радиус-вектора; тг/п - максимально допустимое приращение присоединенных координат, где п - параметр модели. Для отрицательных значений переменных функции принадлежности симметричны показанным. Предполагается, что звенья не имеют ограничений на перемещения.

В основу разработанной системы продукционных правил положены качественные представления о степени влияния изменений присоединенных координат второго и третьего звена на рассогласование между длинами радиус-векторов цели и схвата, а координаты первого звена— на рассогласование между их углами. При этом учитывается очевидное отсутствие зависимости рассогласования по длине от присоединенной координаты первого звена.

Модель системы управления роботом в среде с динамическим препятствием на основе нечеткого логического вывода разработана для манипулятора с прямоугольно-декартовой кинематической схемой. Динамическое препятствие аппроксимируется призматическим объектом, который равномерно и прямолинейно движется параллельно глобальным декартовым осям X, У и 7 со случайной сменой направления через заданное число тактов движения. Источниками неопределенностей в данной системе являются невозможность точного измерения расстояний до движущегося объекта и случайный характер его перемещения.

В качестве входных переменных используются составляющие вдоль осей координат расстояния между схватом манипулятора и препятствием ДХ, А У и Д7. При разработке системы рассматриваются 3 пространственных зоны (рис. 4), границы которых определяются предельными положениями горизонтального звена манипулятора по координате X и координатами концевых точек горизонтального звена в текущий момент времени.

(х,,У|) |

Зона 3 |

Рис. 4. Области рабочей зоны манипулятора с прямоугольно-декартовой кинематической схемой.

Показано, что возможные значения входных переменных АХ и определяются шестью функциями принадлежности, отражающими лингвистические понятия «малое», «среднее», «большое».

При составлении продукционных правил принималось во внимание, что в случае возникновения угрозы столкновения необходимо увеличивать расстояние между препятствием и схватом манипулятора со скоростью, обратно зависящей от величины этого расстояния. Таким образом, выходными переменными системы нечеткого логического вывода являются скорости перемещения звеньев манипулятора. Продукционные правила сформулированы независимо для каждой пространственной зоны.

Особенность механизма логического вывода в данной модели по сравнению с моделью системы управления целенаправленным движением заключаегся в наличии логического оператора И в предпосылках продукционных правил. В связи с этим после фаззификации входных переменных, связанных логическим оператором И, из их оценок достоверности выбирается меньшая, которая и используется для модификации функции принадлежности выходной переменной соответствующего правила.

Показано, что размерность терм-множеств лингвистических переменных, а также форма и относительное размещение соответствующих

ЛУ 1 1 *

(Х2,У2) г и* :

— - - - - с Зона 2 ■ X Зона 1 !

функций принадлежности оказывает существенное влияние на характер функционирования интеллектуальной системы управления, основанной на нечетком логическом выводе. Основной проблемой является выявление необходимого количества термов, обеспечивающих наиболее адекватное представление конкретной переменной с одной стороны, и наименьшие вычислительные затраты с другой. Каждый терм соответствует некоторому интервалу из полного диапазона возможных значений лингвистической переменной. С решением указанного вопроса о количестве таких интервалов тесно связана необходимость определения относительного размера каждого интервала, т.е. величины «основания» функции принадлежности.

В качестве типовой модели для исследования была выбрана односвязная логико-лингвистическая модель, совокупность правил которой определяет некоторое преобразование множества значений входных лингвистических переменных во множество выходных:

где X и У — множества фактических значений входных выходных и переменных соответственно. Это преобразование фактически представляет собой передаточную характеристику логико-лингвистической модели. Для ее анализа каждая функция принадлежности /'(',-<) представлена в кусочно-линейном виде и применен механизм нечеткого логического вывода к дискретной выборке входных переменных

/-(/V- 1)-х,

N-\ /У-1

.(;_ 2)+(*-!)■*,

N-1 Л'-1

/-2 /

О, х <- ,х>

N-1 ДГ-1 Н%у)= тЦ рО,У>\ //'(>')= тах{ /и](иу) }

¡м]{у)-усЬ> ¡¿(у) 4у

о

где N— количество функций принадлежности, ] = — номер значения из выборки, у'} — четкие значения выходных переменных.

Искомая функция у = /' (х) получена линейной интерполяцией между точками у\. На рис. 5 представлено семейство передаточных характеристик У = 1' {х) для различного числа функций принадлежности N = 2,...,15.

15 „ 2 О

Рис. 5. Семейство передаточных характеристик системы нечеткого логического вывода для различного количества функций принадлежности N = 2,...,15.

Как видно из рис. 5, диапазон изменения выходной переменной имеет двустороннее ограничение, которое уменьшается при увеличении числа функций принадлежности. Наличие такой «мертвой зоны», в особенности для малых значений выходных переменных, приводит к невозможности поддержания параметров объекта управления с заданной точностью. В результате исследований установлено, что для уменьшения «мертвой

зоны» выходной переменной крайние функции принадлежности следует сужать, что и происходит при увеличении общего числа функций. Однако при большом количестве функций принадлежности неоправданно возрастает время вычислений, следовательно необходимо сочетать узкие крайние функции с оптимальным количеством остальных.

В четвертой главе на основе моделей и алгоритмов, предложенных в предыдущих главах, разработан программный комплекс моделирования и исследования систем планирования действий и управления движением манипуляторов в динамической среде. Программный комплекс включает в себя 3 программы:

- программу группового управления манипуляторами;

- программу управления целенаправленным движением манипулятора на основе нечеткого вывода;

- программу управления движением манипулятора с уклонением от динамического препятствия на основе нечеткого вывода.

Общий объем программного кода комплекса составляет около 50 тыс. строк. Все программы написаны на языке Object Pascal, и предназначены для выполнения на персональной ЭВМ типа IBM PC, при этом программы, реализующие модели систем нечеткого логического вывода, работают в операционной системе Windows 95.

Важным элементом разработанного программного обеспечения является специализированная объектно-ориентированная библиотека моделирования систем нечеткого логического вывода, которая позволяет легко интегрировать элементы системы нечеткого логического вывода в любое прикладное программное обеспечение и создавать таким образом самые разнообразные нечеткие системы с произвольным набором функций принадлежности и продукционных правил.

Проведенные модельные эксперименты продемонстрировали способность разработанных алгоритмов эффективно решать задачи планирования действий и управления движением роботов в динамической среде и широкие функциональные возможности программного комплекса

как инструментального средства проектирования систем автоматического управления на основе нечеткой логики.

Результаты моделирования систем управления роботами в динамической среде проверены экспериментально на автоматизированном комплексе групповой сборки, включающем два промышленных манипулятора РМ-01 с устройствами управления Сфера-36 и персональную ЭВМ типа IBM PC, связь с которой осуществляется по последовательным каналам RS-232. Проведены эксперименты на базе сборочного комплекса, состоящего из двух учебных роботов Mentor, кроме того системы управления, основанные на нечетком логическом выводе, экспериментально исследовались на модели мини-робота УРТК-РОБАС. Результаты экспериментов на практике подтвердили эффективность предложенных моделей и алгоритмов управления роботами в динамической среде.

В заключении приводятся основные полученные результаты:

1. Проанализированы особенности, принципы построения и структура систем управления роботами в динамической среде. На основе анализа различных подходов к решению характерных для работы в динамической среде задач обоснованы преимущества применения новых интеллектуальных технологий, в частности аппарата нечеткой логики, для разработки систем управления роботами в динамической среде.

2. Разработан оригинальный алгоритм группового управления манипуляторами, основанный на системе оптимального распределения операций с использованием механизма приоритетов, инвариантный к кинематическим схемам и числу манипуляторов.

3. Сформулирована и обоснована концепция локальной безопасности, позволяющая существенно снизить объем вычислений при решении задачи безопасного взаимодействия многозвенных манипуляторов.

4. Разработаны модели системы управления целенаправленным движением манипулятора и системы управления движением манипулятора с уклонением от динамического препятствия на основе нечеткого логического вывода.

5. Исследованы вопросы влияния количества, формы и относительного размещения функций принадлежности логико-лингвистической модели на характер функционирования системы управления. Сформулирована методика выбора количества и вида функций принадлежности, которая обоснована теоретически и подтверждена экспериментально.

6. Разработано программное обеспечение моделирования и исследования систем управления роботами в динамической среде, реализованное на персональной ЭВМ типа IBM PC и состоящее из программы группового управления роботами, программы управления целенаправленным движением робота на основе нечеткого логического вывода и программы управления движением с уклонением от динамического препятствия на основе нечеткого логического вывода.

7. Проведенные экспериментальные исследования как на моделях, так и на реальных робототехнических комплексах, подтвердили полную работоспособность и высокую эффективность разработанных алгоритмов и программ управления роботами в динамической среде.

8. Результаты работы использованы:

- при создании сборочного комплекса на базе двух промышленных роботов РМ-01 в составе экспериментальной учебно-исследовательской лаборатории «Учебная ГПС» и сборочного комплекса на базе двух учебных роботов Mentor в составе лаборатории «Учебная ГПС на базе мини-роботов и локальной сети персональных ЭВМ», разработанных по приказам Минобразования РФ;

- в учебном процессе кафедры «Проблемы управления» МИРЭЛ(ТУ) в курсах «Системы управления роботов и манипуляторов» и «Автоматизация программирования роботов» для специализации 21.03.09 «Робототехнические интеллектуальные системы»;

- в НИР «КЛИН-МИРЭА-П» «Комплексный прогноз развития военной робототехники до 2005г. по результатам компьютерного интеллектуального моделирования и экспертных оценок», выполняемой по заданию Секции прикладных проблем при Президиуме РАН.

1. Трипольский П.Э. Учебная гибкая производственная система. Вопросы управления в сложных технических системах: Межвуз. сб. научн. тр., М: МИРЭА, 1992.

2. Романов М.П., Харитонова Е.Б., Трипольский П.Э. Преобразование информации в нейроподобных структурах. Управление и моделирование в сложных технических системах: Межвуз. сб. научн. тр., М: МИРЭА, 1995.

3. Романов М.П., Харитонова Е.Б., Трипольский П.Э. Системы управления с ассоциативной памятью. Тезисы докладов III Международного научно-технического семинара «Теоритические и прикладные проблемы моделирования предметных областей в системах баз данных и знаний», Рыбачье, 1994.

4. Лохин В.М., Манько C.B., Трипольский П.Э. Разработка логико-лингвистических моделей для планирования перемещений и управления движением манипуляционных роботов. Тезисы докладов 9-й Научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», С.-Петербург, 1998.

5. Манько C.B., Трипольский П.Э. Особенности применения методов нечеткой логики для решения задач интеллектуального управления. Тезисы докладов 9-й Научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», С.-Петербург, 1998.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.