автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Автоматизированное моделирование систем очувствления адаптивных роботов

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ИКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ" ПОЛИТИКИ ГФ омский ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени.государственной ■университет имени В.В.Куйбклела

На правах рукописи

ЗАйЧЕНКО Татьяна Николаевна

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕЧ ОЧУВСТВЛЕНИИ АДАПТИВНЫХ РОБОТОВ

Специальность 05.13.16 -Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических иетодоп п научннх исследование

А В Т О Р Е О Е Р А Т

диссертации 11.1 соискания СТОПС"Ч

кандидата техпнчосптт г^ул

Тсст - 199;:

I'dOoiu выполнена в НИИ прикладной математики и механики ч t

Н&ушшН руководитель: доктор технических наук, В.М. Дмитриев '

■г

Сфщи&лыше оппоненты:доктор технических наук, профессор

A.M. Корикоп

кандидат технических наук, С.А'. Кислицын

/

Будущая организация: .Томский политехнический университет

Защита диссертации состоится •лз " ¿Ь^у^ЛЛ 1992- года 'в

__ на заседании Специализированного Совета Д 053.53.03 по

аащнге диссертаций^на соискание ученой степени кандидата технических наук при Томском государственном университете по адресу:

\

634050, г. Томск, проспект Ленина, 36, Томский государственный университет

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томе-, кого государственного университета. Ваш отзыв на автореферат в. двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим выслать по ( указанному адресу на имя ученого секретаря Специализированного Совета.Автореферат разослан " " марта 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета к.ф.-м.н., доцент

^ II. /! Б.Е. Тривоженко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности производства, гуманизация труда и замена человека при выполнении работ в экстремальных средах невозможны без широкого применения роботов, как жестко программируемых, так и' адаптивных (АР) и интеллектуальных. В настоящее время, когда сроки создания и сроки морального старения новых образцов техники резко уменьшились, а требования к качеству технической, продукции неизмеримо возросли, перед конструкторами , в том числе и разработчиками роботов, ещё более остро встают задачи повышения качества, снижения трудоёмкости и цикличности разработок, выбора оптимального■варианта проектируемой системы в рамках заданных технических ограничений. Единственно эффективный путь решения названных задач- переход от традиционных ручных методов проектирования к малинным, ориентированным на современную вычислительную технику и компьютерное моделирование. Основную помощь в деле интенсификации проектно-конструкторских работ призваны оказать системы автоматизированного проектирования (САПР)важнейшей составной частью которых являются системы автоматизированного моделирования (СМ)

Анализ литературы позволяет сделать вывод, что наименее разработанная область при компьютерном проектировании роботов- моделирование системы очувствления (СОЧ) робота и процесса функционирования очувствлеиного робота. Так известно большое число САМ и САПР, предназначенных для анализа системы управления, кинематики и динамики механической системы. Среди них такио системы как ПАМИР , 1 щ.ртш^ ааоа , яаьзт , шет , аяавгм и другие, при отон необходимость моделирования взаимодействия СОЧ со средой и механической системой из вызывает солнекяп кап у отечественных,так и у зарубежных авторов.

Основы компьютерного моделирования СОЧ и ЛР заложены в рабо -тах Б.Ю.Зуевой и Ю.Л.Садсва; С.С.Камынина, И.М.Бродской и 0.В.Ушаковой; 'Л.И.Болдырева и В.И.Рыбака, причем по всех этих работах рассматривается и'гзуальнсо вс агтодойстт-и'? СОЧ и среди. Из разработок последних лат лредстаплгат интерес МНР средств технического • зронпя, созданная В.М.Гргетстшыд, которая псозэлпет реализовать моделирование трЗх типов датчиков СОЧ (пхдпкопзв, Я-этеящгц, гатрнц на базо прнбороз с пг.ргдопой осязьи) и блоков' обработки, а среди парубо-лге систем— САПР АР '¡гп? ГЛ^-РУКД &ОЗП,У0$1Р.. VI¿ГС

Системный подход к моделированию АР в целом реализуется в САПР роботов (®РГ).

Таким образом, для интенсификации процесса проектирования АР в распоряжении разработчиков должен быть аппарат компьютерного моделирования и проектирования, позволяющий на единой методической и программно-алгоритмической основе производить исследование как отдельных подсистем АР, так и АР в целом. Вышеизложенное подтверждает актуальность проблемы разработки САМ СОЧ, являющейся составной частью САМ АР. Актуальность выбранного диссертационного исследования подтверждается также решениями Всесоюзных и Республиканских конференций по роботизации и автоматизации технологических процессов, проектированию измерительных устройств и.систем.

Связь темы с планами основных научных работ. Тема диссертации соответствует задачам интенсификации и ускоренного развития машиностроения. Диссертационная работа выполнялась в рамках следующих госбюджетных НИР:

- НИР по теме 3.184 "Автоматизация моделирования неоднородных технических устройств" (шифр ".МАРС", ГР 0I62SÜ57922), выполнявшейся в-НИИ прикладной математики и механики в 1965-1990 гг., включенной, в Государственную целевую программу 0Ц.027 "Создание и развития автоматизированных систем научных исследований (ACHiD г. систем автоматизированного проектирования (САПР)" и Региональную межвузовскую целевую комплексную научно-техническую программу Минвуза FC4ÜP "Автоматизация", раздел 2,7, выполнявшейся в соответствии с заказ-нпрлдом !/> 200;

- НИР по теме 0-532-В5 "Дальнейшее развитие и внедрение типо-В!Г'. технических средств и математического обеспечения с отрасли", iT Г96360, выполнявшейся в Томском филиале ПШ технологии машиностроения в 1985-190? гг.:

- НЯР по теме 0-604-59 "Проведение исследований и разработка опытного образца адаптивного промышленного робота для ГПС мелкосерийного производства", выполнявшейся там ;хе в 1969—1991 гг.

Цель диссертационной работы заключается в построении САМ СОЧ, являющейся составной частью САМ АР.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработка системного подхода, развивающего метод компо -нентных цепей как методнчесрук» основу алгоритмического -и программного аппарата автоматизированного моделирования СОЧ, других подсистем АР и процесса функционирования очувствленного робота ;

- построение аппарата формализованного представления подсис-

тем СОЧ, имеющих физически неоднородный характер (оптика, электроника, механика и т.д.);

- исследование особенностей компьютерных моделей СОЧ и их элементов длл повышения быстродействия вычислительного процесса.

Метопы исследования включают б себя методы исследования измерительных систем, методы общей теории цепей, методы компьютерного моделирования и вычислительного анализа.

Научная новизна. Отличительной чертой диссертационной работа по сравнению с аналогичной отечественными исследованиями является системный подход к моделировании СОЧ АР и процесса функционирования очувствленного робота, что позволило получить следующие новые научные результаты.

1. Произведена декомпозиция СОЧ на структурные составляющие , исследованы внутренние и внешние связи СОЧ и сформулированы задачи моделировании СОЧ.

2. Развита теория компонентных цепей, ярляегцдяся методической основой формализованного представления и компьютерного моделирования СОЧ и АР в целом, а такие других слокных технических объектов.

.3. Построена концептуальная модель внелней среды, учиткрадцая её пгоотрлнстьснпо-Брсконние и физические характеристики, а также типн взаимодействия СОЧ со средой. Разработана интерпретация ал-гсбро-логического метода конструирования внесшей среди средствами аппарата компонентных цепей.

4. Ка единой методической основе реализовано формализованное представление структурных составляющих СОЧ различной физической прмподк - механической, злектро-механической, оптико-электронной, информационной. Исследованы особенности матрнчно-топслогическнх моделей элементов СОЧ с целью оптимизации вычислительного процесса.

5. Разработана и исследована методика моделирования систем (СОЧ. АР и других сложнюс объектов) на структурно-блочном уровне.

6. Реализована прогряммно-адгоритаическая структура САМ СОЧ : директивный язык управления заданием, вычислительное ядро и библи- • отека моделей компонентов структурных составлявших СОЧ и среди.

Практическая ценность работы заключается в создании методики и средств формализованного представления СОЧ как для их автономного оперативного моделирования, так и для комплексного моделирования СОЧ в' составе АР. Разработана Гибкая СА.Ч систем очувствления "MAFC-C04", являющаяся составной частьп САМ АР ("МАРС-АР").Системы предназначены для использования на компьютерах типа IEM PC и совместимых с ними и являются гибкими и универсальны»« орудиями про-

ектно-исследовательских работ в области робототехники .

Практическую ценность представляют и частные результаты, полученные в работе:

- методика моделирования произвольных систем на структурно-блочном уровне, позволяющая исследовать устройства, подсистемы которых работают в переключательном режиме;

- методика формализованного представления и библиотека моделей компонентов внешней среды, позволяющие описывать сервисные зоны роботов;

- методика решения обратной задачи кинематики итерационным методом;

- применение результатов диссертации в учебном процессе, что позволяет на единой программно-алгоритмической основе осваивать технологии автоматизированного моделирования АР,

. Внедрение результатов работы. Система "МАРС-СОЧ" внедрена в организации Технотрон г.Томска в составе системы "МАРС-АР". Промежуточные результаты, полученные в работе, в форме библиотеки моделей компонентов различных функциональных преобразований внедрены в НПО Полюс г.Томска, где они используются при проведении научно-исследовательских работ по'созданию двигателей. Результаты работы использовались также в учебном процессе, при постановке новой учебной дисциплины "САПР роботизированных комплексов" в Мосстанкине.

Апробация работы и публикаши. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Региональной конференции "Молодке ученые и специалисты - ускоренна научно-технического прогресса " (г.Томск,1986); Зональной конференции "Пробле> /.I/. повышения производительности к качества продукции в условиях автоматизации машиностроительного производства"(г.Андропов,1286); научно-практической конференции на тему "Региональная м езквузовскап целевая комплексная научно-техническая программа Мкнвуьа. РСФСР "Автоматизация" и её роль в реализации областной программы "Ускорение-90"(г.Томск,1988); Всесоюзной конференции "Оптико-электронные измерительные устройства и системы'Ч г.Томск,1989,); научно-техническом семинаре "Теория н практика создания систем технического зрсния'Чг.Москва,1990) ¡научно-технической конференции "Применение ЭВ'А для роптания задач меха-ники'Чг.Севастополь,1991). По теме работы опубликовано II статей, 5 тезисов докладов:результаты работы включены в 2 учебных поссбил.

Объём работы. Диссертация содержит 235 е.,из них из с. основного текста (введение,5 глав и заключение), 57 рис. па 40 с. и 14 таблиц на.14 с,II р. списка литературы из 06 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена вопросам изучения структуры СОЧ, классификации и формулировке основных задач её моделирования. Выделены структурные составляющие СОЧ- датчик (Д), входящий в состав измерителя, и блок обработки (БО). Приведена классификация СОЧ и рассмотрены основные типы ДСОЧ. Показано, что основными характеристиками СОЧ как объекта моделирования являются многосвязность,неоднородная физическая природа её элементов, многообразие форм связей как между элементами СОЧ, так и СОЧ с другими подсистемами АР.Поэтому полнота исследования СОЧ требует учета процесса её взаимодействия как с внешней средой, так и с другими подсистемами АР(рис.1Х

Выделены три класса задач проектирования СОЧ:

задачи анализа конструктивно-технологических характеристик Д и измерительной схемы, выбор их оптимальных параметров;

- задачи выбора алгоритмов обработки сенсорной информации в БО с оценкой их точности, быстродействия и устойчивости;

- задачи анализа системо-технических характеристик СОЧ и разработки оптимальной стратегии очувствления и управления.

Краткая формулировка задач отображается с помощью модулей информационного преобразования входных Переменных и параметров в выходные. Так, например, для 3£ ,ач анализа конструктивно-технологических характеристик модуль информационного преобразования имеет •

£де Сд, Си- коды формализованного представления Д и измерителя^Рд, Ри- векторы конструктивно-технологических и электрических парамет-

ров Д и измерителя; ^ - вектор параметров, определяющих местоположение Д в момент съёмки информации о процессе функционирования; '"У" - вектор информации о процессе функционирования, поступающей на вход ДСОЧ; 'Ц - вектор выходных электрических параметров измерительного модуля СОЧ.

Выполнить моделирование столь сложного объекта как СОЧ для решения разнообразных задач ез анализа можно лишь путём создания специализированной САМ СОЧ, базирующейся на вычислительных средствах САМ неоднородных технических устройств "МАРС", созданной в КИИ прикладной математики и механики г.Томска под руководством Е.А. Арайса и В.М.Дмитриева. Построение САМ СОЧ включает в себя:

- задачи методического плана, связанные с формализованным представлением СОЧ и её элементов и организацией процесса взаимодействия модели СОЧ с моделями подсистем ЛР и внешней средой;

- задачи программно-алгоритмического плана, связанные с реализацией дополнительных программных средств, необходимых для построения СЛ:<1 СОЧ.

В главе обоснован выбор типов Д, моделирование которых реализовано в настоящей работе:

- рассматриваются наиболее распространенные типы Д из основных ичгссов СОЧ (СОЧ внешней среды и СОЧ состояния манипулятора), имеющие различную физическую природу и принципы действия;

- в классе визуальных СОЧ внешней среды - датчик на базе прибора с зарядовой связью;

- в классе контактных СОЧ внеаней среды - тактильные и сило-мсментьыэ Д;

- в классе СОЧ состояния манипулятора - потенциометрический г. тензометрический датчики, вращающийся трансформатор.

Вторая глава посвящена развитию метода ком'понентных цепей(КЦ) применительно к формализованному представлению и моделированию СОЧ и АР.

При традиционном представлении устройств в виде КЦ каждому пространственно или функционально обособленному элементу исследуемого устройства ставится в соответствие компонент цепи с именем 71ате и ориентированными и неориентированными связями »£у , на которых действуют переменные связей. Компонент имеет формализованное представление (рис.2,а), математическую модель (уравнение или система уравнений относительно переменных связей) и мазинно-ориен-тированную вычислительную модель (подпрограмма 5и-ё?ои£оте на языке ФОРТРАН). Построение КЦ моделируемого объекта осуществляется

по достаточно простым и конструктивным алгоритмам в соответствии с принципиальной, функциональной, алгоритмической или какой-либо другой схемой объекта путем объединения соответствующих'связей компонента. Место соединения связей называется узлом КЦ. По числу

-^ .Si

-Se

_Sy- US-L

. -_ S^U(US.)U(ute)

a) 6)

Рис. 2. Формализованное представление компонента: а) п -связный компонент; б) графическое изображение связей

переменных т , действующих на связях, выделяются три типа связей (рис.2,б): скалярные (информационные) , /я-=1; элементарные^, т =2; векторные $ у, т> 2. Скалярной связи ставится в соответствие одна топологическая координата- узел Л/ , которой соответствует узловая информационная переменная . Для узловых переменных выполняется закон равенства потенциальных переменных для связей, ведущих в один и тот же узел. Элементарной связи ставится в соответствие пара координат- ветвь N& и узел Ы , которым соответствуют потоковая Vfjg и потенциальная переменные. Для потоковых-переменных выполняется закон равенства нулю суммы потоковых .переменных связей, ведущих в один и тот жо узел. Векторная связь представляет собой объединение связей произвольных типов.Для удобства формализованного представления объектов со сложной структурой и упрощения кодирования КЦ, содержащих однотипные блоки компонентов, используются такие формальные объекты аппарата КЦ как подцепи. Таким образом, компонентная цепь Сн при традиционном цепном представлении задаётся совокупностью объектов вида:

4 (*}> №)=((*'}>№, {в

где £ К), {к }- множества компонентов КЦ; /п}- множество подцепей-КЦ; множество связей всех формальных объектов; {_№} -множество узлов КЦ.

Формализованное представление и моделирование СОЧ и АР потребовало развития аппарата КЦ. Введён в рассмотрение новый класс моделируемых устройств - сложная многофункциональная система (CMC) - система, состоящая из нескольких подсистем, работающих р. переключательном режиме. Кялриме-р, ь переключательном режиме моделируются Д и ВО сенсорной информгчии.

Выделены три основные особенности СОЧ и АР как объектов моделирования:

- переменная топологическая структура цепей СОЧ и АР, связанная с переключательными режимами моделирования их подцепей;

- иерархическая структура цепей и подцепей СОЧ и АР, позволяющая сделать более наглядным формализованное представление ;

- матричное многоэлементное конструктивное исполнение некоторых типов ДСОЧ, требующее выбора оптимального варианта их формализованного представления и моделирования.

Для формализованного представления и моделирования CMC расширен набор формальных объектов аппарата КЦ и дана их теоретико-множественная интерпретация. Будем оперировать следующими объектами при цепном представлении CMC.

1. Компонент (К)..

2. Вложенные подцепи:

- подцепь нижнего уровня (Пн)- подцепь, не содержащая в своём составе других подцепей:

Пн = U К/ ;

I /

- подцепь . £ -го промежуточного уровня (П^' )- подцепь, которая содержит ПР'^--3' и входит в состав П^' ^ :

п Л() и С и Pj) uiunt

- подцепь верхнего уровня (Пв)- подцепь, которая не входит в состав других подцепей.

3. Структура (С) - отдельная подцепь, рассматриваемая как подцепь типа Пв, или совокупность подцепей, объединённых в подцепь типа ПБ (т.е. С = Пв ) по признакам:

- совпадения временных переключательных диаграмм рабочих и нейтральных состояний подцепей;

- совпадения параметров интегрирования и точности при моделировании;

- применимости для анализа подцепей одних и тех же директив моделирования.

4. Компонентная цепь на структурно-блочном уровне (КЦ,)- как совокупность структур:

НПс = V CL ■

В работе определен алгоритм задания исходной информации о подцепях типа Е^ и- Пв. Для задания информации о коммутирующих подцепях и структурах, а также о КЦ на структурном уровне были изуче-

ны основные режимы функционирования и моделирования СОЧ и AF и разработана методика коммутации структур и подцепей.

Вводится нумерация структур КЦ CMC: Cj, Cg,..., С^, , начиная с единицы. Одна из структур, время моделирования которой суть основное время моделирования CMC, называется основной структурой, остальные - дополнительными. Моделирование КЦ CMC может начинаться с анализа любой структуры, номер её задаётся пользователем. Основная структура инициирует моделирование дополнительных структур в заданные моменты времени, при этом процесс моделирования основной структуры прерывается. Дополнительные структуры инициируют моделирование других структур после завершения. процесса их моделирования. Последовательность переключения структур задаётся управляющими связями ¿¡^с fy. Связь выходит из структуры-инициатора моделирования и входит

в структуру, моделирование которой инициируется (рис.3).

4 с2

Сп

Рис. 3. Компонентная цепь на структурно-блочном уровне

Узлу управляющей связи (управляющему узлу) Му ставится в соответствие пара переменных ( Уу , Хии.), где Ъу -у п-равляющая переменная; In.iL- признак управляющего узла. Коммутация структур и подцепей реализуется при достижении переменной определённого состояния (0,1,-1). Численное зна-

чение в момент коммутации зависит от признака 1/1 и.. Для узлов Му входных связей структур Гп.и= I; для узлов выходных связей Структура включается в процесс моделирования при на входной связи с

с

коммутация подцепей производится только в структурах взаимодействия СОЧ со средой. В данном случае выделяются две подцепи : подцепь геометрических преобразований для поиска точки объекта среды, с которой взаимодействует ДСОЧ и подцепь физических преоб-разованиГ. чн+ормации об объекте внешней среды п среде и датчике. При ком":у г?,;т;ш подцепей рассматриваются три управляющих узла: узел для контроля принадлежности точки объекту внешней среди ( Тпч-3) и узлы, управляющие коммутацией подцепи геометрических ( 1/ш-А) и физических ( 1пи-Ь) преобразований.

Приведены директивы моделирования СМС на структурно-блочном уровне и сформулированы правила построения задания на моделирование. Предлагается способ эффективного представления и моделирования многоэлементных Д; реализованы специальные директивы анализа матричных систем.

Для формализованного представления алгоритмов программных БО введён новый тип компонента - компонент-алгоритм с имитационными, или фиктивными связями . Имитационные связи не-имеют ни потоковых, ни потенциальных переменных связей и изображаются незакрашенной стрелкой. Связи типа используются для отображения процесса обработки информационных массивов, соответствующих этим связям, по некоторому правил/. Разработана структура вычислительной модели для компонента-алгоритма.

Третья глава посвящена вопросам формализованного представления внешней среды для моделирования СОЧ внешней среды.

Введено понятие рабочей сцены (РС) как совокупности объектов, обладающих ф.изико-геометрическими свойствами, с которыми может вступить во взаимодействие ДСОЧ. Сформулированы требования к формализованному представлению РС: универсальность в плане взаимодействия подцепи РС с подцепью канала ДСОЧ произвольного типа, а также удобная для пользователя методика конструирования РС. На основании четко выраженной функциональной обособленности элементов РС- отдельные объекты и операции над ними, как логические, так и операции движения и задания местоположения- в КЦРС выделяется естественная компонентная структура:

-• компоненты-объекты, определяющие объекты в связанной системе координат. Реализованы модели пространственных (шар, полупространства, конус, эллипсоид, круговой и эллиптический цилиндры, параллелепипед), плоских (круг, кольцо, сектор кольца, многоугольники) и квазиплоских объектов;

- компонента-логические элементы, задающие операции пересечения, объединения, вычитания и взаимоисключения над объектами;

- компоненты-кинематические преобразователи, реализующие операции перемещения и вращения, а также масштабное, преобразование.

Задача формализованного представления РС решена путем применения алгебраического и алгебро-логического методов применительно к выделенному компонентному базису. При моделировании взаимодействия СОЧ со средой цепь РС оформляется как подцепь. Переменные входных связей подцепи суть координаты точки РС, с которой взаимодействует центр чувствительного элемента Д; переменные выходных

связей - физико-геометрические свойства внешней среды в точке .

В четвертой главе 'рассматриваются вопросы формализованного представления датчиков СОЧ внешней среды и СОЧ состояния манипулятора, имеющих различную физическую природу, шумов датчиков, а также программных блоков обработки.

Конкретизируются модули информационных преобразований для двух этапов моделирования процесса взаимодействия со средой ДСС внешней среды:

- для поиска точки объекта внеиней среды , с которой взаимодействует центр чувствительного элемента Д, и определения физико-геометрических сзс;';ств среды в этой точке;

- для моделирования физэффектов при взаимодействии Д с точкой

внешней среды

Реализация первого этапа предполагает построение п о д цепи г е о м о т р к ч е с к и х преобразований для датчика (С,т „,,), реализация второго этапа- построение подцепи физических преобразован и й (С„ ,, ). Приведены подцепи С^ „П для бесконтактных визуальных СОЧ с плоскими и пространственными РС и для контактных СОЧ, а тагаче подцепи для определения местоположения и ориентации Д в момент съёмки информации о среде. Рассмотрено цепное представление в виде С„

- тракта оптоэлектроннкх преобразований видеодатчика на бале прибора с зарядовой связью; для повышения реалистичности моделируемых изображений реализованы три типа компьютерных моделей освещения- модели Ламберта, йонга и Торрэнса-Сг.эрроу;

- тракта физических преобразований для тактильных и силомо-ментных Д, регистрирующих нормальную компоненту силы и перемещения; построен компонент, выполняющий преобразование вектора усилий из неподвижной системы координат в систему координат датчика;

- тракта физических преобразований для тактильных и силомо- • ментных д, регистрирующих деформацию, на базе их представления в виде стор'кневых систем.

■ Приведен модуль информационного преобразования для Д СОЧ состояния механической системы и рассмотрены вопросы формализованного представления датчиков этого типа.

Цепное представление датчикоз и среды позволяет оперативно вводить в тракт взаимодействия Д со средой или механической системой различные виды шумов, имитируюх?1х неидеальность геометрических и фотометрических характеристик поверхностей обгектов РС, зууы Д и тракта физических преобразований. Построены вычислительные модели

для импульсного, импульсного вероятностного, белого, аддитивного и мультипликативного шумов.

Реализовано цепное представление программного БО матричных СОЧ; построена библиотека моделей компонентов-алгоритмов.Моделирование БО позволяет проанализировать возможности алгоритмов БО в плане распознавания и идентификации параметров объектов, а также произвести оценку БО по точности и быстродействию.Выдел .ы особенности задания информации о КЦ БО и задания на моделирование БО.

Пятая глава посвящена описанию процедурного языка САМ систем очувствления "МАРС-СОЧ" и демонстрации её возможностей в плане анализа характеристик СОЧ.

Представлен процедурный язык "МАРС-СОЧ", основанный на директивах моделирования матричных и нематричных СОЧ, РС в автономном ! комплексном (в составе АР) режимах. При этом система "МАРС-СОЧ" использует вычислительное ядро системы "МАРС", библиотеку моделей базовых компонентов САМ "¡№0" и имеет открытый характер, позволяющий пользователю расширять как саму предметную область (типы моделируемых Д, измерителей и БО), так и набор средств её формализа-. ции и директив моделирования. Система "МАРС-СОЧ" функционирует на компьютерах типа 1£>М РС и совместимых с ними в операционной среде М2 £02 . ' .

Произведён анализ матричной структуры моделей элементов СОЧ с целью оптимальной настройки вычислительного ядра САМ "МАРС" уа решение их моделей. Решением модели КЦ является вектор её переменных связей V . Учитываются такие особенности модельного равнения КЦ ФУ № , как разреженность матрицы Я3 и вектора "V/" ; блоч-ность 93 и И/" по классам уравнений (постоянные коэффициенты левой и правой- частей, постоянные коэффиц-енты левой части и переменные правой, все коэффициенты переменные); топологическая блоч-ность Ф и переменная топология целей СОЧ и АР; упорядочение топологических координат и последовательное вычисление переменных ; многократное решение. Разработаны алгоритмы моделирования матричных Д и РС с переменными щагаыи сканирования матрицы Д или РС, позволяющие повысить быстродействие анализа.

Возможности системы "МАРС-СОЧ" демонстрируются на ряде тестовых примеров.

Моделирование РС производится для создания имитатора массива сенсорных данных БО контактных и бесконтактных матричных СОЧ. Моделируются плоские РС со сложными объектами- цифрами; РС с шумами; динамические РС с движущимися плоскими и

квазиплоскими объектами. Моделирование РС с квазиплоскими объектами может использоваться для имитации изображений РС, объекты которых меняют в процессе движения свои размеры и форму. В качестве одного из приложений моделирования РС приведен пример визуализации движения манипулятора. Адекватность моделей РС обусловлена погрешностями задания геометрических параметров объектов и вычислительными погрешностями решения модели КЦ.

Моделирование датчиков и измерительных модулей демонстрируется на примерах анализа измерительных модулей с потенциометрическим и тензометрическим Д, вращающегося трансформатора и видеодатчика на приборе с зарядовой связью 1200 ЦМ1. Моделирование используется для оценки искажения входного неэлектрического воздействия и величины выходного электрического сигнала, что позволяет сделать вывод о необходимости корректировки измерительных модулей и правильно выбрать выход измерительной схемы. Адекватность моделей обусловлена выбором эквивалентной схемы, точностью задания её параметров и вычислительной погрешностью решения. Адекватность модели видеодатчика подтверждается совпадением данных вычислительного эксперимента с данными физического эксперимента, данными технических условий на прибор и параметрами видеодатчика, известными из литературы.

Моделирование Б0 иллюстрируется на примерах анализа программного Б0 матричной системы технического зрения. В первом примере воспроизводятся операции фильтрации, вычисления центра тяжести изолированного объекта и оценивается уточнение координат центра тяжести в процессе фильтрации. Во втором примере* имитируется процесс распознавания, связанный с выделением контура объекта, определением параметров объекта и сравнением их с эталоном.

М о д е л и р о п а н и е . С 0 Ч в с о с т а в е АР. Все рассмотренные вше модели элимонтоз СОЧ и ГС используются при ком-плекспем моделировании СОЧ л состава АР. При о том подцепи элементов АР объединяются в КЦ в соответствии с ого технической схемой. Приведены тестовые прго'.ерн но, ,ол:'рогп!Н'«я АР с гииогшпгею'ми пп-поматп'юск^'т схемами:

- АР с вид9одат::икоч без адаптивного управления; воспроизводи тел процесс форчировашш изобретения для дадгсуциг.ся № и объекта;

- АР с тактильным Д без адаптивного управления; воспроизводится процесс формирования ''тактильного" изобрести и мснеит контакта Д с объектом ч определяется иро:.ч1 касанип Д с объектом РС

- АР типа ГЛАЗ-РУКА с адаптивным управлением по вектору скорости в системе координат Д. Воспроизводится процесс функционирования АР: движение механической системы с Д, формирование изображения датчиком СОЧ, работа БО, вычисляющего координаты центра объекта на изображении, и работа системы управления, заключающаяся в расчете обобщенных координат для механической системы. Иллюстрируется реализация цели управления- позиционирование захвата над центром объекта.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выделен новый комплексный тип объекта для компью .арного моделирования- СОЧ, взаимодействующая с внешней средой, механической и управляющей системами АР. Введена система конструктивных определений для формализованного представления среды, СОЧ (как СОЧ внешней среды, так и СОЧ контроля состояния механической системы) и их основных элементен механического, информационного, ептнко--электронного и электромеханического типов.

2. Разработана методика формализованного гтодстанленкя РС в виде объектно-ориеитировыцшх КЦ и методические приёмы построения

■ КЦ РС плоского, кглзиплоекого и пространственного типов. Эффективным оказалось применений алгебраического метода конструирования для синтеза конфигурации простых объектов и РС и алгеи'ро-логичес-¡сого метода для сложных объектов и РС. Решена задача определения объёмов и масс объектов, входящих ь состав РС и имеющих произвольную геометрическу>э форму.

3. Реализована методика моделирования систем на структурно-блочном уровне. Её практическое исследование произведено на примерах моделирования'динамических РС, № с визуальным и тактильным датчиками. Построены компьютерные модели Д и БО СОЧ, кинематики механической системы, а также блока управления. Одним из приложений данной методики явилось решение обратной задачи кинематики итерационным методом с проверкой принадлежности точки траектории сервисной осно робота.

4. Исследованы особенности мат- -чно-топологических моделей элементов СОЧ с цельг оптимальной настройки шшислительного процесса на особенности конкретней задачи. Произведён учет блочности, разреженности матричной модели КЦ, учет классов компонентных уравнений и многократности решения модели КЦ.

5. Реализована САМ систем очувствления "ЫАРС-СОЧ", являющаяся.

составной частью САМ адаптивных роботов "МАРС-АР". Система "МАРС--СОЧ" позволяет производить оперативный анализ проектно-конструк-торских решений и заменить часть физического эксперимента вычислительным.

Дальнейшее развитие работ связывается с разработкой компактного описания СОЧ и АР на уровне макрокомпонентов и блоков, повышением быстродействия алгоритмов моделирования матричных Д СОЧ, а также с построением графических предпроцессора и постпроцессор» с целыо создания дружественного интерфейса пользователя и ЭВМ.

Методические основы разработанного аппарата моделирования С(Л изложены в учебных пособиях /"1,187, которые были использованы при постановке новой учеоной дисциплины "САПР роботизированных комплексов" в Мосстанкине.

Е заключение отметим, что совокупность полученных а диссертации результатов способствует реяенига научной проблемы по развитию системного подхода к автоматизированному моделированию СОЧ и АР в целом: разработаны основы единого формализованного представления и моделирования, выявлены особенности моделей элементов СОЧ и № и рассмотрены вопросы их учета в программно-алгоритмическом аппарате; получили дальнейшее развитие принципы построения гибкой и универсальной по характеру системы компьютерного моделирования "¿'АРС'.'

Использование полученных результатов позволяет оперативно и с минимально.« затратами строить модели СОЧ и их элементов, автома -тизировать процесс исследования СОЧ в широком диапазоне внешних воздействий и при вариации структуры и параметров, выбирать среди множества вариантов наилучшие. Комплексное моделирование СОЧ в составе № позволяет разработать оптимальную стратегию очувствления и управления. Тем самым обеспечивается возможность интенсификации научных и проектно-исследовательских работ по созданию СОЧ и АР, сокращения затрат я сроков разработки, повышения качества проектирования. Результаты работы внедрены на предприятиях г.Томска.

ПЕЧАТНЫЕ РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. п -матизированное моделирование промышленных роботов/В.!:. Дмитриев, Т.»!.Зайченко, В.А.Игнатьев и др. :Метод.указания.-'Л.: Иэд-во Мосстанкина, 1588.- 50 с.

2. Дмитриев В.М..Зайченко Т.Н. Автоматизация моделирования блока обработки Еизуальной информации системы технического зрения/ Том.ун-т.-Тсмск,1967.-24 с.-Деп.в ВИНИТИ 1.04.87, * 2372-Ьс7.

3. Дмитриев В.М..Зайченко Т.Н. Автоматизация функционального проектирования систем технического зрения//Теория и практика создания систем техн. зрения: Материалы семинара.-М.,1990.-С. 55-67.

4. Дмитриев В.Ы.,Зайченко Т.Н. Автоматизированное моделирэва-ние в проектно-конструкторских работах//Гехнол. и конструкт, обеспечение высокоэффектив. пр-ва в автомобилестроении: Материалы краткосроч. науч.-техн. семинара, Ленинград, 23-24 окт. 1990 г,-Л., 1990.-.С. 27-28.

5. Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н. Автоматизированное моделирование датчиков адаптивных промышленных роботовДом. ун-т.-Томен , 1987.-37 с.-Деп. в ВИНИТИ 20.10.87, № 7407-В87.

6. Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н. Автоматизированное моделирование пространственных рабочих сцен с плоскими объектами/Том.ун ?.' -Томск,1988.-17 с.-Деп. в ВИНИТИ 29.12.88, № 9151-В88.

7. Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н. Автоматизированное моделирование рабочих сцен путём сложения и вычитания элементарных объектов/Том. ун-т.-Томск,1988.-8 с.-Деп. в ВНИЙТЭМР 28.11.88,

» 424-мш 88.

8. Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н., Гельфман Б.Ш. Комплексное моделирование адаптивных промышленных роботов на ЭВМ/Том. ун-т.-Томск,1988.-32 с.-Деп. в ВИНИТИ 04.04.88, № 2577-В88.

9. Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н., Колодин В.А. Автоматизация моделирования видеосенсора системы технического зрекия/Гом. ,ун-т.-Томск, 1986,- 22 с.-Деп. в ВИНИТИ 11.10.66, № 7140-В86.

10. Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н., Колодин В.А. Автоматизация моделирования систем технического зренил//Пробл. повышения производительности и качества продукции в условиях автоматизации машиностроительного пр-ва: Тез. докл. I зо::альной науч.-тэхн. конф. мол. учен, а специалистов, нояб. 1986 г.-Ярославль,1985.-С. 28-29.

И. Дмитриев В.Ы., Зайченко Т.Н. Компьютерное моделирование систем налганного зрения/Л'атемагачеспие методы распознавания обра-ров: Тез. докл. Четвертой Всесовзной конф., Рига, 24-26 окт.,1989. -Рига,1989.-С. 67-69.

12. Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н. Моделирование сенсорных систем с элементами управления/Тоа. ун-т.-Томск, 1990.-34 е.- Доп. в ВИНИТИ 29.05.90, Р 2927-390.

13. Дмитриев В Л., Зайченко Т.Н. Реализация рабочих сцен ал-гсбро-логичеспяаи моделгаи в системе МАРС/Гом. ун-т.- Томск, 1989. - 30 с..- Деп. в РИШГШ 29.09.69, № 605В-ВК'.

14. Дчягрпея БД!., Зс.Г'цгяко Т.Н. Систс/а автсм?т::зпрованного

- 19 - 4

моделирования адаптивных роботов МАРС-ЛР/ЛГрнмзнение ЭВУ длл решетит задач механики: Тез. докл. науч.-техн. конф.', Севастополь, 27-28 мая, 1991 г.- Киев, 1991.- С. 8.

15. Дмитриев В.М., Зайченко Т.П. Формализованное представление рабочих сиен адаптивных роботов для моделирования на ЭВМ/Тон. ун-т.-Томск, 1987.-21 с.-Де'н. в ВИНИТИ 22.12.87, ;<' 9002-В87.

16. Зайченко Т.Н. Конструирование сложных рабочих спен ч системе автоматизации фушшионального проектирования адаптивных рсбо-тов//Производственно-технический опыт,- 1991.-1? Г.- С. 26-36.

17. Зайченко Т.П. Моделирование робота ГЛАЗ-РУКА с управлением по вектору скорости//Производстпенно-техничесякй опыт.-19Э0,-№ II.- С. 83-88. •

18. Многофункциональная система автоматизации моделирования промышленных роботов: Учеб. пособие/ В.И. Дмитриев, В,А. Игнатьев, О.Д. Егоров, Т.Н. Зайченко.- М.: Изд-во Ш1И, 1989.- 87 с.