CC BY
42
УДК 681.51
МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К СИНТЕЗУ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ГРУППЫ БЕЗЭКИПАЖНЫХ
КАТЕРОВ
Б.П. Питерский
Рассмотрены концептуальные вопросы построения системы управления движением группы безэкипажных катеров, функционирующих в автономном режиме (т.е. без участия оператора роботизированного комплекса) и обеспечивающих эффективное решение различных, в том числе комплексных, народнохозяйственных задач.
Ключевые слова: группа безэкипажных катеров, синтез системы управления группой, принципы и методы синергетической теории управления.
Анализ тенденций развития вопросов применения как зарубежных, так и отечественных роботизированных комплексов и робототехнических средств (систем) на базе безэкипажных катеров (БЭК) показывает, что уже в настоящее время особое внимание уделяется вопросам группового управления БЭК. Это обусловлено тем, что возможностей одного, отдельно взятого, БЭК не достаточно для эффективного решения таких непростых технологических проблем, как мониторинг надводной и подводной обстановки больших по площади районов акваторий в интересах народнохозяйственных задач, так и маневровые операции безэкипажных портовых буксиров, например, при проводке судов с внешнего рейда на внутренний и обратно, транспортировке судов к причалам порта, швартовке и т.д. Очевидно, что для решения подобных задач необходимо задействовать некоторое количество однотипных или разнотипных (в зависимости от особенностей решаемой задачи) автономных БЭК. При этом под автономностью БЭК понимается его способность выполнять поставленные задачи по заданной программе в автоматическом режиме (т.е. без участия оператора роботизированного комплекса) в различных условиях гидрометеорологической обстановки.
Следует отметить, что важными преимуществами группового применения БЭК являются потенциальный охват больших площадей акватории за меньшее время по сравнению с одиночными БЭК, что достигается путем назначения определенного района работ каждому БЭК из состава группы, а также расширение функциональных возможностей группы БЭК путем установки на БЭК различного целевого оборудования. Однако наиболее ценными свойствами группового применения БЭК следует считать общую отказоустойчивость группы и высокую вероятность достижения целей, поставленных перед группой БЭК.
44
Вместе с тем, при всех достоинствах группового применения БЭК существует ряд проблем, возникающих в связи с необходимостью организации «коллективного» поведения БЭК, решающих конкретную технологическую задачу. Одной из таких проблем является создание алгоритмов организации эффективного взаимодействия между БЭК из состава группы на всех уровнях иерархии, при котором достигается конечная цель (или целевая ситуация) применения БЭК за минимальное время и при минимальных затратах.
Задачу организации эффективного взаимодействия между БЭК в группе можно разбить на ряд следующих подзадач:
- определение состава группы БЭК, необходимого и достаточного для эффективного решения технологической задачи;
- распределение функций между отдельными БЭК в группе и определение маршрутного задания каждому БЭК для достижения конечной цели за минимальное время и при минимальных затратах;
- реализация законов управления отдельно взятыми БЭК из состава группы, которые обеспечивают автономность применения каждого и эффективность выполнения поставленной технологической задачи в целом.
Для решения перечисленных подзадач группового управления предлагается применить так называемый централизованный подход, при котором формирование тактических стратегий для группы БЭК возлагается на один ведущий БЭК, действиями которого определяются движения остальных ведомых БЭК из состава группы. При этом необходимо учитывать, что при централизованном подходе к групповому управлению мощным комплексом технических средств достаточно оснастить только ведущий БЭК, а ведомые БЭК можно укомплектовать минимально необходимым оборудованием, которое обеспечит выполнение задач, сформированных ведущим БЭК.
Учитывая, что БЭК являются неустойчивыми объектами управления (особенно в условиях изменяющейся гидрометеорологической обстановки), основной проблемой, возникающей при реализации групповой стратегии управления, является осуществление устойчивого передвижения группы БЭК в заданную точку пространства. Данная задача является многомерной, поскольку включает в себя множество поведений (движений) БЭК, а если учесть, что каждый БЭК является нелинейным объектом управления, то общая модель поведения группы БЭК дополняется нелинейными составляющими динамики как самих БЭК, так и функциональных отношений между ними.
Для определения математической модели группы БЭК в составе двух однотипных безэкипажных катеров, каждый из которых оснащен двумя двигателями с двумя гребными винтами в поворотных направляющих насадках, необходимо определить динамику поведения одного БЭК.
Согласно [1, 2] математическую модель БЭК с учетом принятой системы координат (рисунок) можно описать следующими уравнениями:
гХп = Ух соБ<р; ¿а = УгБт<р — УхБт<р; ф = шу;
"з
т2У2 = Fzu + ЯА + ИГ + Fв;
г 1 11г 1 11г 1 ' в; и I пА I пГ
+ Кх + ^х + ?в;
]ушу = М% + ЯА + МГ + Мв,
(1)
\>у у 1Лу' 11у ' у где Хд, Ъд - скорости изменения координат центра тяжести катера в полусвязной системе координат; Ух, % - проекция вектора скорости на оси связной с катером системы координат ХУ7; ф - текущий курс, шу = ф - угловая скорость катера относительно своей вертикальной оси ОУ; ]у - момент инерции катера относительно оси ОУ; тх, тх - суммарные массы катера с учетом присоединенных масс воды относительно осей ОХ и ОУ.
У;
2\
X
\ ^-^у \ --< / ]<Р
О
X,
X
Система координат БЭК
Необходимость решения многомерных нелинейных задач при синтезе системы управления движением группы БЭК обусловливают целесообразность использования принципов и методов синергетической теории управления [3, 4], которая основана на принципе направленной самоорганизации. В рамках данной теории разработан метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР), позволяющий синтезировать законы управления для расширенных математических моделей объектов управления без линеаризации или других упрощений. В этом методе цели и задачи управления выступают в виде инвариантных многообразий, а учет нелинейной динамики достигается путем асимптотического перехода от одного инвариантного многообразия к другому с последовательным понижением размерности многообразий. При таком подходе к задаче управления нет необходимости в строгом соответствии параметров реального объекта параметрам заложенной в регулятор модели, необходи-
46
мо лишь обеспечить попадание замкнутой системы в область притяжения инвариантных многообразий, на которых, в свою очередь, поддерживается желаемое конечное состояние объекта управления.
В качестве первых инвариантов системы будут координаты x*, z*, к которым движется центр масс ведущего БЭК, а также путевой угол, задающий траекторию движения БЭК по кратчайшему пути. Для движения группы БЭК предлагается выбрать такие инварианты, при которых ведущий БЭК будет двигаться к заданным координатам x*, z* с удержанием путевого угла ПУ*м , а ведомый БЭК следовать за ним на расстоянии Ax, Az .
Инварианты ведущего БЭК имеют вид
JM = {хм = x*iZM = z*f Пум = Пу*м] , (2)
Инварианты ведомого БЭК - вид
= {xs = хм + Ах, zs = zM + Az, ПУ5 = ПУМ } . (3)
Таким образом, с учетом математической модели БЭК и «внешних» управлений ведущего и ведомого БЭК можно получить законы группового управления, реализующие централизованное поведение и слаженное движение ведомого БЭК относительно ведущего, перемещающегося в заданную точку акватории.
Дальнейший синтез системы управления движением группы БЭК предлагается проводить путем компьютерного моделирования.
Список литературы
1. Вагущенко Л.Л., Цымбал Н.Н. Системы автоматического управления движением судна. 3-е изд., перераб. и доп. Одесса: Фешкс, 2007. 328 с.
2. Пшихопов В.Х., Гуренко Б.В. Разработка и исследование математической модели автономного надводного мини-корабля «Нептун» // Инженерный вестник Дона, 2013. № 4. [Электронный ресурс] URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/ n4y2013/1918 (дата обращения: 10.12.2018).
3. Колесников А.А. Синергетическая теория управления. М.: Энер-гоатомиздат, 1994. 344 с.
4. Синергетические методы управления сложными системами: механические и электромеханические системы / А.А. Колесников, Г.Е. Весе-лов, А.Н. Попов, А.С. Мущенко [и др.]. М.: КомКнига, 2006. 304 с.
Питерский Борис Павлович, начальник отдела специального программного обеспечения, piterskiy@„nppame.ru, Россия, Санкт-Петербург, АО «НПП «Авиационная и морская электроника»
METHODICAL APPROACH TO THE SYNTHESIS OF THE CONTROL SYSTEM OF THE MOVEMENT OF A GROUP OF UNMANNED BOATS
B.P. Piterskiy
The conceptual issues of the motion control system of a group of unmanned motor boats which are operated in autonomous mode (i.e., without the participation of the operator of the robotic complex) and ensures the effective solution of various tasks, including economic, are considered.
Key words: group of unmanned motor boats, synthesis of a control system for a group, principals and methods of synergetic theory of control.
Boris Pavlovich Piterskiy, head of special software, [email protected], Russia, St. Petersburg, JSC NPP «Aviation and Marine Electronics»
УДК 007.52
ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Д.А. Варабин
Показаны актуальность проблемы и основные способы создания робототех-нических комплексов (РТК) - разработка новых или роботизация существующих образцов. АО «ВНИИ «Сигнал» следует второму способу. Приведены работы предприятия по созданию РТК. Показан подход к проектированию РТК, в основе которого лежит идея создания и применения комплекта роботизирующего оборудования, позволяющего модернизировать образцы колесной и гусеничной техники путем дооснащения их указанным комплектом. Также приведено описание уникальной технологической компетенции предприятия, которая сформулирована как «разработка и производство комплектов навесного и встраиваемого оборудования для роботизации подвижных объектов». Показана структура компетенции.
Ключевые слова: робототехнический комплекс, робот, система управления, подход к проектированию, уникальная технологическая компетенция, диверсификация.
Введение. На протяжении последних двадцати лет мирового развития вооружения и военной техники (ВВТ) проблема их роботизации не только приобрела роль ключевого научно-технологического направления, но и стала одним из центральных звеньев в новых концептуальных подходах к формированию вооруженных сил, способам их боевого применения, развитию средств вооруженной борьбы и средств обеспечения. Данная формулировка в полной мере справедлива и для других силовых ведомств, в том числе и в гражданской области, развитие специальной техники которых немыслимо без широкого использования технологий робототехники.
48
