CC BY
3
ment of information systems, the main scientific tasks encountered in the synthesis, operation and modernization of these systems are identified and formulated. In the final part of the article, the directions and trends of the development of various theories used in the synthesis and operation of systems, as well as promising directions for the development of adaptive control theory are determined.
Key words: management theory, adaptation, complex technical systems.
Belov Andrey Sergeevich, doctor of technical sciences, docent, andrej2442016@yandex.ru, Russia, Orel, Academy of the FSO of Russia,
Dobryshin Mikhail Mikhailovich, candidate of technical sciences, employee, Dobrithin@ya.ru, Russia, Orel, Academy of the FSO of Russia,
Shugurov Dmitry Evgenievich, candidate of technical sciences, employee, sde33@academ.msk.rsnet.ru, Russia, Oryol, The Academy of FSO of Russia,
Gorshkov Alexey Anatolevich, candidate of technical sciences, employee, Russia, Orel, Academy of the FSO of Russia
УДК 51-74
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-15-19
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛОЖЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРА ПО ВИДЕОДАННЫМ
Нгуен В.Ш., Т.А. Акименко
Исследуется манипулятор, установленный жестко на платформу, размещенную на подвижном основании. Разработана математическая модель колебаний рабочего органа возникающих при управлении изменением его положения. Показано, что замыкание обратных связей по углам поворота звеньев манипулятора друг относительно друга приводит к недопустимо большим ошибкам позиционирования во время переходных процессов. Предложено замыкать обратную связь по положению самого рабочего органа относительно цели, определяемому по видеоданным, формируемым системой технического зрения. Показано, что подобное техническое решение позволяет повысить точность позиционирования.
Ключевые слова: Подрессоренная платформа, манипулятор, рабочий орган, позиционирование, обратная связь, система технического зрения.
Информационно-измерительные системы на базе оптико-электронных преобразователей, в настоящее время достаточно широко применяются в технике для получения информации о состоянии окружающей среды. Совершенствование аппаратной части формирования видеоданных и аппаратно-программных комплексов обработки видеосигналов в настоящее время сформировало техническую возможность использования оптического канала получения информации для решения задач, требующих малого времени реакции на появление на наблюдаемой сцене релевантной информации. Одной из них является задача стабилизации пространственного положения рабочего органа манипулятора, установленного жестко на платформу, которая через вязкоупругие опоры соединена с источником случайных механических воздействий [1, 2, 3]. Вследствие того, что объект труда манипулятора привязан к неподвижной, чаще всего Земной, системе координат, возникает проблема точности измерения положения рабочего органа относительно объекта труда, которая может быть разрешена только с помощью бесконтактных методов измерения положения и его стабилизации. Однако, вопрос о применении систем технического зрения в качестве датчика положения систем автоматической стабилизации положения проработан недостаточно, чем объясняется актуальность данной статьи.
Кинематическая схема подрессоренной платформы с установленным на ней манипулятором и системой технического зрения приведена на рис. 1 [4]. Подрессоренная платформа представляет собой жесткое основание массой mo, установленное на 2N вязкоупругих опор, размещенных по краям основания. Левая и правая вязкоупругие опоры /-го поперечного ряда установлены на расстоянии Lxj от поперечно-вертикальной плоскости симметрии основания. Жесткость и вязкость всех опор считается одинаковой. На основании, в точке С р, лежащей в продольно-вертикальной плоскости симметрии, отстоящей
от центра масс на расстоянии е от центра масс основания, установлен шарнир для крепления манипулятора. В свою очередь манипулятор включает М стержней, последовательно соединенных друг с другом вращательными шарнирами одной степени подвижности. Каждый ]-й стержень имеет длину Iи сосредоточенную массу т ■ т, которая находится в точке С ■.
2
т I
Рис. 1. Кинематическая схема подрессоренной платформы
Земная неподвижная система координат 0ХУ2 сформирована следующим образом. Начало О совпадает с положением точки СР; ось 2 перпендикулярна с плоскостью основания находящегося в состоянии равновесия, и направлена верх; ось X направлена от точки О к центру передний стороны основания; ось У направлена так, что совместно с ними образует правую систему координат. Связанная подвижная система координат ОрХрУр2р сформирована следующим образом: начало Ор совпадает с
точкой Ср ; ось 2р перпендикулярна к плоскости основания и направлена верх; ось Xр направлена от точки С р к центру передний стороны основания; ось У р образует правую систему координат совместно с осями Xр и Ур .
Системы координат у-го стержня (у = 1, М) выбираются на основе следующих правил: ось ZJ+1 направлена вдоль у-го шарнира; начало координат О у выбирается в точке пересечения осей 2 у _1 и 2у, или в конце у-го стержня, если оси 2у_1 и 2у не пересекаются; ось Xу перпендикулярна осям 2у_1, 2у и ось Уу совместно с осями Xу и 2у образует ортогональную правую систему координат;
оси 2м _1 и 2м сонаправлены.
Очевидно, что при механическом воздействии на вязкоупругие опоры основание платформы колеблется по следующим трем координатам: линейное перемещение Д центра масс по оси 2р ; продольное вращение по углу тангажа поперечное вращение по углу крена у [5]. Кроме того, динамические моменты щ, ..., ду, ..., дм, создаваемые М приводами в Мшарнирах, также вызывают колебания
платформы. Таким образом, состояние механической системы определяется вектором обобщенных переменных q = (¿л,..., qj,..., дм+з): где ^ = Аг, Ч2 =9, Чз = У, а оставшиеся обобщенные переменные 44, 45, ..., Чм +з представляют собой угловые координаты звеньев манипулятора. Матричное уравнение, описывающее свободные колебания платформы, имеет вид:
q(s ) = Ж (у), (1)
где ) - вектор воздействий на механическую систему; Ж (у) - матрица передаточных функций; s -
оператор дифференцирования.
Координаты рабочего органа в Земной системе координат определяются по зависимости:
О,
х
м
О
Ом
, у м , г м , 1
= [о, 0, 0,1].Тр • тр • То1 •... • Ту_1 •...• Tм_l, (2) р
где Т - матрица перехода от Земной системы координат к системе координат, связанной с платформой; Тр - матрица перехода от системы координат ОоXоYо2о к системе координат 0nX пУп2, Ту 1 - матрица перехода от (/' - 1)-й к у-й системе координат.
Матрицы ТР и Т1 1 имеют вид:
(
] =
cos С] б1П qj 0 0
ТР =
- соб а 1 Б1П С] соб а 1 соб qj
1 0 3 01
0 1 -У 0
-3 У 1 &
0 0 0 1,
(3)
Б1П а 1 Б1П С] - б1п а j соб qj
Б1п а j соб а j
а] СОБ С] а] б1П qj
I = 1, М , (4)
0 0 1 где С] - угол поворота оси X] -1 вокруг оси X ^-1 до ее совпадения с осью X ] ; й] - расстояние от
точки О] 1 до точки пересечения осей X ] -1 и X ], измеренное в направлении оси X ]-1; а j - расстояние от точки пересечения осей X ]-1 и X ] до точки О j, измеренное в направлении оси X ] ; а ] -угол поворота оси X ]-1 вокруг оси X ] до ее совпадения с осью X^ .
Алгоритм управления рабочим органом при наведении его по изображению цели включает следующие действия.
1) Предварительное определение положения рабочим органа относительно цели р.
О
М
ОМ
2) Решение обратной позиционной задачи: на основе р* М , расчет управляющих сигналов для
М приводов q* =
ql, •••, ^^<м
3) Подача управляющих сигналов <*,•„, qjс[м на приводы, формирование М моментов
ЦЬ •••, Ц] ,•••, Цм •
4) Подстановка моментов Ц1, •„, ц],•„, цм в зависимость (1) и определение (М +3) параметров q = (сl,•••, С] ^^ см+з |
5) Расчет действительное положение рабочего органа относительно цели рОм по зависимостям (2), (3),
(4)-
Схема разомкнутой системы приведена на рис 2. Как следует из приведенной схемы, замыкание обратной связи по положению звеньев манипулятора не обеспечивает требуемой точности позиционирования рабочего органа. Для повышения точности позиционирования необходимо замыкать обратную связь по положению рабочего органа относительно цели, размещенной в пространстве вне платфор-мь^ Это может быть сделано с помощью системы технического зрения, размещенной либо на самом рабочем органе, либо на платформе.
q■
Приводы шарниров
q ь Тм р Ом -►
—:—► -►
Рис. 2. Схема формирования управляющих сигналов для приводов в разомкнутой системе управления МС
Для реализации метода разработки обратной связи по положению рабочего органа из видеоданных и алгоритма позиционного управления в работе [8], разработан блок управления по положению, полученному из видеоданных. Метод заключается в определении обратной матрицы Якоби и формировании сигналов заданных значений для каждого контура управления по положению во всех приводах шарниров (рис 3) Методики определения положения особых точек цели в пространстве уже рассмотрены в нескольких работах [6, 7] В этой статьи только использовано время обработки изображений т для моделирования СТЗ как датчика положения рабочего органа относительного цели
Ом
-xs
1 г
xV)
к
s
q*
Приводы шарниров
W q „ jM
.О,
'м
Рис. 3. Схема формирования управляющих сигналов для приводов в замкнутой системе управления
Для проверки метода управления был проведен компьютерный эксперимент со следующими данными: М = 3; N = 2; т0 = 10 кг; ш\ = 10 кг; т2 = 5 кг; т3 = 4 кг; £ = 64000 Н/м; х = 280 Н.с/м. В случае без стабилизации проведены расчеты положения рабочего органа.
Работа функционирования системы без стабилизации моделируется за счет подачи управляющего воздействия, обеспечивающего перемещение рабочего органа из исходной точки по вектору
АР = (АО
АОм
AzM )9 = (10 10 10) см. При этом возникает переходный процесс, имеющий
перерегулирование по координате г, а по координатам х и у перерегулирование отсутствует.
Для стабилизации рабочего органа был использован ПИД регулятор с параметрами П = 25,6; И = 0; Д = 0. Подсистемы стереозрения моделируется как датчик обратной связи с чистым запаздыванием 2,12 мс (4 особых точек). В данном случае также отсутствует перерегулирование координатам х и у. На рис. 4 приведены результаты применения методик 1, 2, 3 для стабилизации рабочего органа по координате г.
10 8 6 4 2
А°°М:
[см]
t
0
' АОМ ^z 2 , [см]
t —►
' АОм -АО2, [см]
t -►
0,2 0,4 0,6 0,8 [с] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 [с] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 [с]
а б в
Рис. 4. Переходные процессы рабочего органа по координате z: а - разомкнутая система;
б - замкнутая система; в - разность
Из графиков на рис. 4 можно делать вывод о том, что при включении подсистемы стереозрения в контур обратной связи система управления работает с повышенной точностью по координате z: перерегулирование уменьшается с 5,2% до 2,1%.
Список литературы
1. Воротников С.А. Информационные устройства робототехнических систем. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 384 с.
2. Corke P. Robotics, vision and control fundamental algorithms in Matlab. Australia: Springer, 2017.
693 p.
3. Лучанский О.А. Системы технического зрения мобильных колесных роботов: Дис. канд. тех. наук: 05.11.16 / Лучанский Олег Алексеевич. Тула, 2007. 150 с.
4. Нгуен В.Ш. Математическое моделирование робота при работе манипулятора в пространстве // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 2. С. 165 -174.
5. Нгуен В.Ш. Управление механической системой, размещенной на подвижном основании: Дис. канд. тех. наук: 05.13.01 / Нгуен Ван Шон. Тула, 2018. 128 с.
6. Нгуен В.Ш. Определение положения точек в пространстве с использованием стереозрения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 9. С. 149 - 153.
7. Нгуен В.Ш. Оптимальный метод для корреляционного сопоставления изображений // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 9. С. 153 - 158.
8. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 480 с.
Нгуен Ван Шон, канд. техн. наук, исследователь отдела автоматизации и управления, van-son. nguyen. mwi@gmail. com, Республика Вьетнам, Ханой 100000, Институт вооружений,
Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, tan tan 72@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MANIPULATOR POSITION STABILIZATION USING A VIDEO-DATA V.S. Nguyen, T.A. Akimenko
The manipulator mounted rigidly on a platform, placed on a movable base, is investigated. The mathematical model of working body oscillations, arising from its position change control, has been developed. It is shown that the feedback closure on angles of rotation of the manipulator links, relative to each other, leads to unacceptably large positioning errors during transients. It is proposed to close the feedback on the position of the working body itself relative to the target, determined by the video-data generated by the vision system. It is shown that such a technical solution improves the positioning accuracy.
Key words: sprung-up platform, manipulator, working body, positioning, feedback, vision system.
Nguyen Van Son, candidate of technical science, researcher of department of automation and control, vanson.nsuyen.mwi@gmail.com, Vietnam Republic, Hanoi, Military Weapon Institute,
Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical science, docent, tantan72@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.75
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-19-24
АЛГОРИТМ БАЛАНСИРОВКИ СЕРВЕРОВ В ЦЕНТРАХ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ, ОСНОВАННЫЙ НА ИДЕНТИФИКАЦИИ СЕРВИСОВ В ВИРТУАЛЬНЫХ МАШИНАХ
А.А. Воробьев, Р.А. Преображенский, А.Ю. Андросов
В статье рассматривается модифицированный алгоритм балансировки серверов, реализованного в облачной платформе OpenNebula с моделью обслуживания «инфраструктура как услуга» и основанного на идентификации информационных сервисов в виртуальных машинах путем выявления особенностей в использовании ими вычислительных ресурсов.
Ключевые слова: центр обработки данных, алгоритм балансировка нагрузки, идентификация информационного сервиса.
Известно, что при функционировании информационной инфраструктуры центров обработки данных (ЦОД) может периодически возникать проблема с неравномерной загрузкой вычислительных ресурсов серверов, проявляющееся в снижении производительности виртуальных машин (ВМ) [1]. Причинами вызывающих эту проблему могут быть: выход из строя серверного и соединяющего их сетевого оборудования или использование настроек «по умолчанию» алгоритмов балансировки нагрузки [2], например, реализованных в балансировщике нагрузки VMware NSX [3], применяемого в настоящее время в большинстве организаций, эксплуатирующих ЦОД.
Однако, на сегодняшний день становится актуальным [4] использование отечественных информационных технологий, например, программного комплекса средств виртуализации (ПК СВ) «Брест» АО «НПО РусБИТех» [5], программно-аппаратного комплекса виртуализации и защиты виртуальных систем "Горизонт-ВС" АО «НППКТ» [6], защищенной облачной платформы «Глобус» компании «Лаборатория 50» [7] и других. Эти средства позволяют также, как и облачные технологии, предлагаемые иностранными компаниями, например, VMware, Microsoft, Goggle создавать и размещать виртуальные машины на серверах в ЦОД, управлять вычислительными ресурсами выделяемых для их работы, а также обеспечивать их безопасность и надежность.
Далее в работе будет рассматриваться ПК СВ «Брест», анализ функциональных возможностей которого показал, что средство в отличие от технологий VMware не обладает собственным балансировщиком нагрузки, а может использовать решение HAProxy или сервисы OpenNebula [8]. Так, например, в OpenNebula встроены следующие алгоритмы балансировки нагрузки серверов: «ручной», «распределение по ресурсам» и «распределение по ресурсам с приоритетами».
19
