Тема: Компьютерное моделирование процессов управления движением подводных роботов-манипуляторов

В 60-е годы XX века впервые появились промышленные роботы, кото­рые успешно заменяли человека при выполнении ряда производственных функций. Однако их применение в те времена было крайне ограниченным, что в существенной мере определялось недостаточными возможностями вы­числительной техники. В частности, даже не шла речь об активном использо­вании роботов под водой. В настоящее время, благодаря бурному развитию технических средств и компьютерных технологий, подводная робототехника имеет огромный спрос и множество сфер применения, что, как следствие, вызывает большой интерес у инженеров и исследователей в области теории управления.
Современные подводные роботы в большинстве случаев устанавлива­ются на автономные или необитаемые телеуправляемые подводные аппараты (НПА). С их помощью решаются задачи мониторинга и обследования мор­ского дна для разработки природных ресурсов, взятия биологических проб жидкостей и обслуживания подводных сооружений, включая трубопроводы. Также подводные роботы широко используются при проведении поисково-спасательных работ, при изучении подводной флоры и фауны, для инспекции судов и в других случаях[20, 1, 6].
В любом варианте реализации использование подводных манипулятор­ных комплексов избавляет человека от опасного труда, и, в то же время, со­кращает эксплуатационные расходы, делая возможным проведение широкого спектра операций, недоступных человеку.
К первым разработкам НПА относятся исследования, проведенные в 1957 г. тремя учеными из лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета, которые создали аппарат под названием Special Purpose Un­derwater Vehicle (SPURV). В 1970-х гг. работы проводились в Массачусет­ском технологическом институте, а чуть позже аналогичные работы начали выполнять в Дальневосточном отделении АН СССР.
В настоящее время проектирование, изготовление и исследование НПА осуществляется во всех ведущих мировых державах. К числу наиболее попу­лярных разработок относятся аппараты канадской компании ISE, американ­ской компании NOSC, французского института IFREMER и исландской фирмы GAVIA.
При построении надежного робототехнического комплекса инженера­ми решаются различные вопросы, связанные с конструктивным проектиро­ванием, при этом одним из важнейших этапов, включающим в себя вопросы моделирования, является построение оптимального закона управления объ­ектом.
Следует отметить, что задача управления подводными роботами суще­ственно сложнее, чем для наземных робототехнических комплексов по ряду причин, и требует всестороннего рассмотрения многих практических и тео­ретических вопросов.
Во-первых, подводный робот имеет существенно ограниченные по своим возможностям каналы связи. В частности, для него невозможно ис­пользовать GPS из-за проблем с передачей электромагнитных волн опреде­ленных частот под водой. Существенные трудности возникают с надежно­стью систем компьютерного зрения.
Во-вторых, датчики имеют низкую пропускную способность из-за пло­хо структурированной окружающей среды.
В-третьих, манипулятор закреплен на мобильном основании, а система приводов имеет нелинейную динамику и испытывает сильное влияние гид­родинамических эффектов, что существенно затрудняет оценку динамиче­ских параметров и проведение математического моделирования.
Купить

В данной работе рассмотрены вопросы, связанные с построением урав­нений динамики автономного подводного судна с шестизвенным манипуля­тором. В силу широкого применения линейных стационарных систем на практике особое внимание уделено вопросу нахождения линейного прибли­жения полученных уравнений. Также выполнено моделирование объекта управления в дискретном времени.
Построенный в системе MATLAB-Simulink имитационно- моделирующий комплекс позволяет исследовать поведение системы при наличии управления в форме обратной связи на базе управления с прогнозом (MPC) или на базе линейно-квадратичной оптимизации (LQR), а также при отсутствии управляющих воздействий. Предложенные подходы к построе­нию управления обеспечивают стабилизацию объекта управления в заданном положении. Полученные результаты имитационного моделирования позво­ляют сделать вывод о состоятельности построенной системы управления.
Направлением для дальнейших исследований и работы могли бы стать добавление астатизма в систему управления, а также учет ограничений на управляющие воздействия, моделирование и фильтрация шума в каналах из­мерений.
Купить