Робототехника, автоматизация и системы управления. Рубрика в журнале - Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН)
Метод структурно-параметрического синтеза конфигураций многорежимного объекта
Статья
Сложность современных объектов с перестраиваемой структурой приводит к необходимости учета различных факторов взаимодействия их с окружающей средой и связана с увеличением числа входящих в их состав элементов и подсистем, а также, соответственно, стремительным ростом числа внутренних связей, и проявляется в таких аспектах, как структурная сложность, сложность функционирования, сложность выбора поведения, сложность моделирования и сложность развития. Данные системы функционируют в условиях существенной неопределённости, связанной с изменением содержания целей и задач, стоящих перед объектом, воздействием возмущающих факторов со стороны внешней среды и имеющих целенаправленный и/или нецеленаправленный характер. Указанные аспекты сложности системы связаны не только с неопределенными воздействиями внешней среды, но и с множеством различных режимов (видов) функционирования, соответствующих множественности решаемых задач и множественности показателей качества их решения. Как правило, системы с фиксированной структурой, настраиваемые обычно на установившийся (какой-то заданный) режим, не обеспечивают наилучшего качества управления в других режимах. Поэтому многорежимность и неопределенность условий функционирования обуславливают необходимость решения проблемы анализа и синтеза конфигурации и реконфигурации рассматриваемых объектов, основанных на интеллектуальных подходах. При этом на этапах создания и проектирования объектов с перестраиваемой структурой должны быть синтезированы такие взаимосвязанные множества режимов функционирования и структур, а также, возможно, внесён такой уровень избыточности в указанные множества с учетом пространственно-временных, технических и технологических ограничений, при которых на этапе их применения по целевому назначению имелась бы возможность гибко реагировать на все расчётные и нерасчётные нештатные ситуации, вызывающие структурные изменения объекта. С формальной точки зрения, решение указанных задач возможно в рамках такого важнейшего класса современных научно-технических задач, как задачи многокритериального структурно-функционального синтеза конфигураций многорежимных объектов на различных этапах их жизненного цикла. В настоящей статье приведен метод решения указанных задач, основанный на предложенной авторами концепции параметрического генома сложных многорежимных объектов. Применение данной концепции позволяет в концентрированном виде хранить явные и неявные знания экспертов о взаимодействии элементов и подсистем объекта при выполнении различных вариантов реализации режимов функционирования, а также осуществлять оперативное вычисление значений оптимистических и пессимистических оценок показателей структурно-функциональной надежности однородных/неоднородных, монотонных/немонотонных, равноценных/неравноценных многорежимных объектов. Для решения задачи многокритериального выбора требуемого количества недоминируемых вариантов конфигураций многорежимного объекта, равномерно расположенных в множестве эффективных (паретовских) альтернатив, была предложена комбинация метода интервального лексикографического упорядочения (последовательных уступок) и операторного решающего правила. При этом для проведения детального анализа возможности реализации объектом совместного или раздельного задействования режимов функционирования с равноценной или неравноценной интенсивностью их применения было предложено нечетко-возможностное представление обобщенного показателя структурно-функциональной надежности в виде трапециевидного числа и определения его центра тяжести. Эффективность использования разработанного метода структурно-параметрического синтеза конфигураций многорежимного объекта с перестраиваемой структурой проиллюстрирована на примере решения задачи структурно-параметрического синтеза конфигураций системы управления движением малого космического аппарата «Аист-2Д».
Бесплатно
Статья
Анализ применения технологии умный дом указывает на недостаточный уровень управляемости его инфраструктурой, что приводит к избыточному потреблению энергетических и информационных ресурсов. Проблема управления цифровой инфраструктурой жилого пространства человека, связана с большим числом узкоспециализированных решений по домашней автоматизации, которые усложняют процесс управления. Умный дом рассматривается как множество независимых киберфизических устройств направленных на достижение своей цели. Для согласованной работы киберфизических устройств предлагается обеспечивать их совместную работу через единый информационный центр. Моделирования режимов работы устройств в цифровой среде сохраняет ресурс физических устройств, производя виртуальный расчет для всевозможных вариантов взаимодействия устройств между собой и физической средой. Разработана методика управления микроклиматом умного дома с применением ансамбля нечетких искусственных нейронных сетей, на примере совместного использования кондиционера, вентиляции и отопления. Алгоритм работы нейронной сети позволяет контролировать параметры состояния физической среды, прогнозировать режимы работы киберфизических устройств и формировать сигналы управления для каждого из них, обеспечивая совместную работу устройств с минимальным ресурсопотреблением и информационным трафиком. Предложен вариант практической реализации системы управления микроклиматом умного дома на примере многофункционального учебного компьютерного класса. Разработаны гибридные нейронные сети систем кондиционирования, вентиляции и отопления. Произведено тестирование работы системы управления микроклиматом многофункциональной аудитории университета с применением гибридных нейронных сетей, в качестве устройства управления использован программируемый логический контроллер отечественного производства. Целью управления на основе взаимодействующих киберфизических устройств является достижения минимума используемой мощности и информационного трафика при их совместной работе.
Бесплатно
Нейросетевая настройка генетического алгоритма управления векторной иерархической системой
Статья
Представлены результаты исследования иерархической двухуровневой системы векторного управления многосвязным объектом, эволюция которого описывается вектором состояния, изменяющегося путем воздействия на исполнительные устройства, каждое из которых включает привод и рабочий механизм. Рассматриваемая система управления отличается наличием дополнительного контура настройки виртуального регулятора на верхнем и функционально-логическом уровнях. Синтезирована математическая модель импульсного отклика исполнительного механизма системы, учитывающая сухое трение, люфт и ограничения по скорости и положению рабочего органа управляемого объекта. Исходная модель исполнительного органа представлена в форме Коши, а его импульсный отклик аппроксимирован импульсным откликом линейного звена второго порядка, оптимальным по критерию минимума ошибки аппроксимации. Доказано, что параметры линеаризованного импульсного отклика зависят от эксплуатационных параметров привода. Построена модель замкнутой системы управления объектом в целом и показано, что ее параметры зависят от эксплуатационных параметров приводов, желаемого значения вектора состояния объекта управления и параметров виртуальных регуляторов, реализованных на функционально-логическом и верхнем иерархическом уровнях. Полученные результаты демонстрируют, что изменение эксплуатационных параметров объекта может быть скомпенсировано за счет структурных и параметрических изменений генетического алгоритма управления. Разработана методика синтеза генетического алгоритма управления сложными многоконтурными объектами, реализуемого контроллером верхнего уровня иерархии, базирующаяся на использовании нейронной сети. Показано, что предлагаемый подход обеспечивает достижение синергетического эффекта, когда управляющие воздействия, реализуемые разными модификациями алгоритма управления, оказываются менее эффективными, чем управляющие воздействия, реализуемые с помощью составного алгоритма, подвергающегося эволюционным изменениям в процессе функционирования системы. Корректность теоретических положений подтверждена результатами вычислительного моделирования управления виртуальным регулятором с помощью нейронной сети, продемонстрировавшего существенное улучшение характеристик управления за счет уменьшения времени выхода на установившийся режим и времени перерегулирования.
Бесплатно
Статья
Интеграция методологического базиса нескольких разных наук при междисциплинарных исследованиях является характерной чертой новых механизмов решения современных прикладных задач. Формируемые теоретические основы аэролимнологии, как нового научного направления, рассматриваются с точки зрения вклада в нее трех ключевых наук: лимнологии, информатики и робототехники. Приведены классификации методов и способов лимнологических исследований, воздушных робототехнических средств, информационных технологий, перспективных для решения задач в области аэролимнологии. Задача научного направления аэролимнологии формулируется как изучение возможностей и ограничений комбинированных способов дистанционного сенсорного измерения, роботизированного пробоотбора и аналитического исследования параметров экосистем пресных водоемов для мониторинга и предсказания динамики их развития. Среди основных направлений аэролимнологических исследований выделены: построение ортофотопланов и фотограмметрических пространственных моделей рельефа дна и отдельных элементов донного ландшафта и прибрежной зоны разного масштаба; геолого-геофизическое картирование подводной части береговой зоны; изучение фитопланктона, в частности «цветения» воды, вызванного цианобактериями; исследование распределения и миграций крупных представителей гидрофауны; изучение температурных полей и процессов перераспределения водных масс. Обсуждаются ограничения, накладываемые на использование беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) при пробоотборе и мониторинге прибрежных водных территорий, прежде всего погодно-климатические, временные, пространственные, технические. Преимущество использования беспилотных летательных аппаратов в аэролимнологии обосновывается увеличением скорости получения данных, возможностью подлета к труднодоступным и территориально удаленным объектам, снижением влияния человеческого фактора. Научная новизна представленного исследования состоит в попытке интеграции междисциплинарных знаний при использовании беспилотных летательных аппаратов и обработке полученных данных на основе технологий искусственного интеллекта при изучении лимнологических объектов и процессов. Отмечается важная роль геоинформационных систем и приводятся примеры карт типизации берегов и геоморфологии Ладожского озера, размещенные на сайте Центра коллективного пользования научным оборудованием «Северо-Западный центр мониторинга и прогнозирования развития территорий» СПБ ФИЦ РАН. Рассматриваются основные этапы методологии проведения аэролимнологических исследований с применением междисциплинарных подходов на основе лимнологии, информатики и робототехнических средств, функционирующих в разных средах.
Бесплатно
Статья
Использование пестицидов и загрязнение окружающей среды в садах можно значительно снизить, сочетая опрыскивание с переменной скоростью с пропорциональными системами управления. В настоящее время фермеры могут использовать опрыскивание с переменной скоростью для применения средств от сорняков только там, где они необходимы, что обеспечивает экологически чистые и экономичные химические средства для защиты растений. Кроме того, серьезной проблемой является ограничение использования пестицидов в качестве средств защиты растений (СЗР) при сохранении надлежащего отложения растительного покрова. Кроме того, автоматические опрыскиватели, которые регулируют норму внесения в соответствии с размером и формой садовых насаждений, показали значительный потенциал для сокращения использования пестицидов. Для автоматического распыления в существующем исследовании использовались искусственная нейронная сеть (ИНС) и машинное обучение. Кроме того, эффективность опрыскивания можно повысить за счет снижения потерь при распылении из-за осаждения на грунт и нецелевого сноса. Таким образом, это исследование включает в себя тщательное изучение существующих методов опрыскивания с переменной скоростью в садах. Помимо предоставления примеров их прогнозов и краткого рассмотрения влияния на параметры опрыскивания, в нем также представлены различные альтернативы предотвращению чрезмерного использования пестицидов и исследуются их преимущества и недостатки.
Бесплатно
Обмен навигационной информацией для оперативного управления дорожным движением
Статья
Снижение эффективности грузопассажирских перевозок в условиях городской инфраструктуры определяется ростом числа автомобилей, опережающим развитие сети дорог. Моделирование неравномерности потоков во времени (час пик) выявило ключевое значение интервала движения транспортных средств как фактора борьбы с эффектом аккумуляции при снижении средней скорости в условиях загруженности дорог. Снижение эффективного времени реакции водителя, определяющего предельную дистанцию между транспортными средствами, требует минимизации влияния человеческого фактора. Для автоматизации процесса (реализации беспилотного управления транспортом) необходимо обеспечить эффективный обмен навигационной и маршрутной информацией между участниками движения. Совокупности требований к системе информационного обмена лучше всего отвечает коммуникационно-навигационная система (КНС) на базе принципов широковещательной радиосвязи. Ее применение позволяет одновременно повысить и безопасность, и эффективность дорожного движения. Рост безопасности обеспечивается за счет повышения предсказуемости действий соседних участников движения. Для увеличения эффективности в зоне высокой плотности потоков формируются Центры управления транспортом (ЦУТ). Распределенные сети приемо-передающих станций ЦУТ образуют локальную систему позиционирования на принципах трилатерации. Алгоритмы верификации корректности работы бортовых навигационных средств и автоматического разрешения коммуникационных конфликтов обеспечивают высокую надежность функционирования КНС. Отказ от принципов абонентской радиосвязи обеспечивает ее работоспособность даже в условиях очень высокой плотности ТС (несколько тысяч на квадратный километр). В сочетании с передовыми технологиями организации дорожного движения (реализации решетки транспортных магистралей и режима «тотальной зеленой волны») КНС и ЦУТ способны обеспечить среднюю скорость в городских условиях более 45 км/ч. Совокупная экономия затрат на последнюю милю доставки в результате их внедрения оценивается на уровне единиц процентов ВВП даже без учета социальных и экологических эффектов только за счет снижения аварийности и сокращения числа пробок.
Бесплатно
Статья
Рассматривается проблема распределения заданий между группами мобильных роботов в условиях параметрической и стохастической неопределенности, возникающей из-за сенсорных погрешностей, нестационарности среды и ограниченности информации об объектах управления. Основная цель работы – адаптировать разработанные ранее эвристические алгоритмы к реальным условиям, где присутствуют сенсорные ошибки и недостаток информации о состоянии среды. В качестве базовых подходов рассматриваются три алгоритма: муравьиный алгоритм, нейронная сеть Хопфилда и генетический алгоритм. Разработаны специальные модификации для каждого алгоритма, учитывающие неопределенность исходных данных: динамическое обновление феромонных следов, адаптивная коррекция весовых коэффициентов нейронов и интервальная оценка параметров среды. Приведены общая постановка задачи, математические модели и принципы построения предложенных алгоритмов распределения заданий. Было проведено численное моделирование для сравнения модифицированных версий алгоритмов с их базовыми аналогами в условиях различных уровней неопределенности функционирования системы. Установлено, что предложенные адаптивные механизмы улучшают эффективность распределения заданий до 20 % по сравнению с базовыми методами. На основании полученных результатов сформулированы рекомендации по выбору оптимального алгоритма в зависимости от конкретных условий функционирования системы и задач управления. Сделан вывод о целесообразности использования разработанных подходов при проектировании интеллектуальных адаптивных систем группового управления мобильными роботами. Предложенные решения могут применяться и для более широкого круга задач, включая динамическое переназначение ресурсов и организацию кооперативного поведения технических агентов.
Бесплатно
Статья
Растущий спрос на транспортировку товаров, обусловленный расширением глобальных цепочек поставок и растущими ожиданиями клиентов, подчеркивает острую необходимость оптимизации транспортных расходов для повышения эффективности логистики. В условиях быстро развивающегося и конкурентного рынка предприятия сталкиваются с растущими проблемами в управлении сложными транспортными сетями, минимизации эксплуатационных расходов и удовлетворении разнообразных требований клиентов. Для решения этих проблем в данной статье представлено решение, разработанное для снижения транспортных расходов за счет оптимизации потока товаров и повышения эффективности использования ресурсов. Используя передовые методы оптимизации и стратегии на основе данных, предлагаемое решение позволяет выявить неэффективности, упростить процесс принятия решений и улучшить распределение ресурсов. Первые результаты показывают, что этот подход не только значительно снижает эксплуатационные расходы, но и повышает способность предприятий быстро и эффективно реагировать на меняющиеся требования клиентов, обеспечивая как экономическую эффективность, так и удовлетворенность клиентов. Однако по мере дальнейшего развития логистической отрасли и увеличения объемов транзакций ожидается, что сценарии транспортировки станут более сложными, а требования клиентов – более разнообразными. Эти изменения требуют дальнейшего совершенствования и масштабируемости предложенного решения для работы с расширенными сетями, более сложными логистическими задачами и широким спектром потребительских требований. В будущих исследованиях приоритетное внимание будет уделено разработке крупномасштабных моделей, способных включать больше переменных, повышать вычислительную эффективность и обеспечивать более быстрое и точное принятие решений в условиях растущей сложности логистического сектора. Таким образом, предлагаемое решение представляет собой значительный шаг вперед в оптимизации транспортных расходов и повышении эффективности логистики. Первые результаты показывают, что данное решение позволяет сократить транспортные расходы на 19,02–29,65% и повысить вычислительную эффективность в задачах маршрутизации малого и среднего масштаба (10-20 клиентов). Несмотря на его потенциал, необходимы дополнительные исследования для обоснования масштабируемости для более крупных наборов данных. Таким образом, наш подход обеспечивает прочную основу для оптимизации логистики с четкими перспективами расширения и адаптации в реальных условиях.
Бесплатно
Оценка состояния агента с динамикой стохастического характера с помощью рекуррентных фильтров
Статья
В работе представлен метод оценки состояния агента многоагентной биологической системы по зашумленным измерениям с помощью рекуррентных фильтров. Рассмотрена проблема масштабируемости существующих подходов к регистрации поведения лабораторных грызунов и отсутствия единого математического описания. Приведено математическое описание агента биологической системы как нелинейной дискретной стохастической системы в пространстве состояний и постановка задачи оценки его состояния. Представлено решение поставленной задачи на примере ключевых точек крысы линии Wistar, которые измеряются с помощью предварительно обученного детектора. В работе предлагается использовать полносвязную нейронную сеть для параметризации неизвестной динамики системы. Для сравнительного анализа выбраны фильтр частиц (последовательный метод Монте-Карло) и ансцентный фильтр Калмана. Сравнение методов производилось на собранном и подготовленном наборе данных, который содержит изображения с разрешением 1060×548 и разметку скелетных точек крысы. Представленные результаты экспериментов по сравнению методов оценки состояния показывают высокую эффективность предложенного метода и его преимущество перед аналитическим описанием нелинейной динамики системы. Среди сравниваемых подходов минимальную среднюю ошибку 6,4 пикселей показала двойная оценка вектора состояния и параметров нейронной сети с помощью двух ансцентных фильтров Калмана. Однако для практического применения в реальном времени больше подходит один фильтр с предварительно обученной нейронной сетью. В таких условиях ансцентный фильтр Калмана показал лучшие результаты по точности, чем фильтр частиц (средняя ошибка 8,1 пикселя против 12,0 пикселей). Результаты работы могут быть использованы для решения задачи автоматической регистрации поведения крыс линии Wistar с помощью параметризации функций, связывающих векторы состояния с выходными векторами индивидуального и группового поведения.
Бесплатно
Планирование траектории полета БПЛА при мониторинге большой области
Статья
Современное сельское хозяйство охватывает огромные территории, и эффективный мониторинг этих территорий играет ключевую роль в точном земледелии. Беспроводные сенсорные сети широко используются для получения оперативной информации о состоянии сельскохозяйственных культур. Однако вручную собирать данные с датчиков затруднительно. В то же время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) все чаще используются для обеспечения автоматического высокоточного сбора данных. В данной статье рассматриваются методы построения оптимальной траектории БПЛА, обеспечивающие эффективный сбор данных с распределенных сенсорных узлов. Предложенные методы направлены на минимизацию длины маршрута и полное покрытие зон датчиков за счет учета их пространственного распределения и радиуса действия. Целью исследования заключается оптимизация траектории полета БПЛА минимальной длины, обеспечивающей сбор данных со всех датчиков, полностью покрывая зоны покрытия сенсорных узлов. В рамках исследования были разработаны и сравнены четыре метода построения маршрута: центрированный, трехточечный, тангенциальный и метод оптимального выбора точек внутри границы радиуса. Каждый метод реализован в виде программного алгоритма, включающего этапы построения маршрута, его геометрической оптимизации и охвата зоны покрытия. Все методы были протестированы единообразно на наборе датчиков, размещенных на определенной территории. Оценка проводилась по трем основным показателям: протяженность маршрута, количество точек маневра и время расчета программы. Авторами предложены два ключевых метода оптимизации траектории: метод «центроид», основанный на кластеризационном подходе, и усовершенствованный «трёхточечный» метод, реализующий алгоритм Лина–Кернигана. По результатам экспериментов предложенные методы существенно превосходят ранее рассмотренные методы планирования траектории. Таким образом, в статье предложен комплексный метод к построению маршрутов БПЛА для мониторинга сельскохозяйственных полей с учетом геометрических, алгоритмических и вычислительных факторов, а также даны рекомендации по выбору метода в зависимости от пространственной структуры сенсорной сети.
Бесплатно
Повышение точности IP-геолокации на основе данных, предоставляемых открытыми IP-геосервисами
Статья
IP-геолокация – это процесс определения реального географического положения электронного устройства, подключенного к сети Интернет, по его глобальному сетевому адресу [1]. В настоящее время она нашла широкое применение в интернет-торговле, маркетинге и рекламе, информационной безопасности [2] и других направлениях человеческой деятельности. Применяются различные подходы к определению местоположения удаленного сетевого устройства, различающиеся как по типу анализируемой информации (задержка передачи пакетов, ресурсные записи DNS-серверов, контент веб-страниц), так и по выдаваемому результату (название страны или города, почтовый адрес, вероятная зона расположения или точные координаты) [3, 4]. Ошибка IP-геолокации зависит от страны расположения устройства, плотности населения, типа сетевого устройства и лежит в пределах от нескольких десятков метров до сотен километров. При этом для одних и тех же входных данных результаты разных IP-геосервисов могут различаться значительно. Объектом данного исследования выступают общедоступные IP-геосервисы, предоставляющие услуги по IP-геопривязке узлов глобальной сети на основе их IP-адресов, а именно – их точность и полнота. Выборка IP-геосервисов для тестирования были сформирована из числа наиболее популярных [5]. При проведении исследования результаты IP-геолокации сравнивались с достоверными сведениями о расположении некоторых IP-адресов, в качестве показателей точности использовались страна, город и географические координаты. На основе сравнительного анализа результатов тестирования были сделаны выводы о точности IP-геосервисов по выбранным показателям, их существенных свойствах, а также о зависимости ошибки геолокации от размера населенного пункта. Для повышения точности IP-геопривязки авторами предложен ансамблевый метод усреднения координат, полученных от нескольких IP-геосервисов.
Бесплатно
Статья
Для решения задач наблюдения за обстановкой на водной поверхности, примыкающей к приграничным районам суши, используют загоризонтные радиолокационные средства поверхностной волны. Основным достоинством указанных средств является возможность обнаружения надводных объектов за пределами оптического горизонта за счет распространения электромагнитной волны вдоль морской поверхности в дифракционной зоне. Однако точностные характеристики подобных наблюдений оказываются крайне низкими в силу малых отношений сигнал/шум отраженного сигнала, которые обусловлены, в свою очередь, широкой диаграммой направленности существующих антенных систем. Это приводит к превалированию в облученной области отражения от фона над радиоэхом лоцируемого объекта. По этой же причине оказываются необнаруживаемыми неподвижные цели, по которым отсутствует доплеровский сдвиг частот в спектре отраженного сигнала. Единственным способом увеличения отношения сигнал/шум является сужение диаграммы направленности (увеличение коэффициента направленного действия антенной системы). Предлагается решение поставленной задачи по пути последовательного накапливания отраженных сигналов и их суммирования по принципу оптимизационного подбора фазовых соотношений для соседних импульсов (синтезируемых апертур), которые соответствуют эвентуальному фронту электромагнитных волн, сфокусированному в направлении гипотетической цели. Решение данной задачи позволит существенно сузить диаграмму направленности антенны, что открывает возможности устранения влияния фона за счет радикального уменьшения площади облучаемой поверхности в процессе фокусировки луча при синтезировании виртуальной апертуры. При этом нет необходимости в изменении конструкции антенных решеток. Выполнено компьютерное моделирование синтезированной антенной решетки и построена ее диаграмма направленности. Проведена количественная оценка степени повышения углового разрешения по сравнению с потенциально возможным, определенным по критерию Релея. Данное обстоятельство поз воляет рассмотреть возможность использования береговых загоризонтных радиолокационных станций поверхностной волны для обнаружения «невидимых» существующими локаторами неподвижных объектов.
Бесплатно
Статья
При согласованном круговом движении группы автономных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА или дронов) важно обеспечить предотвращение столкновений между ними. Характерная ситуация возникает в том случае, если один из дронов круговой формации должен обогнать впереди летящего. Причина необходимости такого обгона может заключаться в заданной геометрии формации БПЛА, когда эта конфигурация заданного взаимного положения дронов поменялась по какой-либо причине. При этом ограниченная маневренность БПЛА именно самолетного требует учета особенностей их динамики при синтезе алгоритма предотвращения столкновений. Здесь также играет роль невозможность падения воздушной скорости БПЛА самолетного типа ниже определенного минимального значения. В данной статье предлагается использовать подход на основе вихревых векторных полей, которые по сути являются вращательной модификацией метода искусственного потенциального поля (APF). При этом круговое движение обеспечивается разработанным в предыдущих наших работах алгоритмом следования вдоль линии пути. В итоге был предложен алгоритм предотвращения столкновений, который работает эффективно, сохраняя согласованное круговое движение автономной формации дронов без излишних разворотов. Данный алгоритм был назван «Artificial Potential Field for Circular Motion» (сокращенно APFfCM). С помощью прямого метода Ляпунова показано, что траектории системы формации обладают равномерной ограниченностью при использовании предлагаемого алгоритма управления. За счет ограниченности кандидата на функцию Ляпунова при этом гарантировано, что не произойдет события столкновения между дронами. Таким образом, цель управления по обеспечению согласованного кругового движения без столкновений для автономной группы дронов самолетного типа достигается. Эффективная работа предлагаемого алгоритма продемонстрирована на моделях БПЛА самолетного типа («летающее крыло») в среде MATLAB/Simulink. Эти модели обладают как полной нелинейной динамикой, так и реализацией настроенных автопилотов, стабилизирующих угловое и траекторное движение.
Бесплатно
Приложения машинного обучения для прогнозирования сроков доставки и планирования перевозок
Статья
Стремительное развитие технологий оказывает огромное влияние на логистику и грузоперевозки. Эффективное управление графиками перевозок критически важно для предприятий, стремящихся минимизировать затраты, сократить задержки доставки и повысить удовлетворенность клиентов. Одна из ключевых задач в этой области – задача маршрутизации транспортных средств с временными окнами (VRPTW), которая требует не только поиска оптимальных маршрутов доставки, но и соблюдения определенных временных ограничений для каждого клиента или пункта доставки. Традиционные методы оптимизации часто сталкиваются со сложностью и динамичностью реальных логистических процессов, особенно при работе с большими объемами данных и непредсказуемыми факторами, такими как пробки на дорогах или погодные условия. Для устранения этих ограничений в данном исследовании представлена система на основе машинного обучения, которая повышает производительность существующих решений VRPTW. В отличие от традиционных подходов, которые полагаются исключительно на эвристику или статическое планирование, наша система использует современные модели машинного обучения для прогнозирования ключевых временных параметров, включая время доставки, время доступности и время обслуживания, на основе исторических и контекстных данных. Эти возможности прогнозирования позволяют алгоритмам маршрутизации принимать более обоснованные решения, что приводит к более точному и адаптируемому планированию. Опираясь на предыдущие исследования с использованием моделей случайного леса, мы предлагаем более надежную структуру, которая включает в себя передовые методы предварительной обработки и проектирование признаков для повышения точности модели. Обучая и оценивая систему с использованием реальных наборов данных, мы можем моделировать практические сценарии и подтверждать эффективность нашего подхода. Результаты экспериментов показывают, что предложенный метод стабильно превосходит распространенные модели машинного обучения с точки зрения средней абсолютной ошибки (MAE), тем самым подтверждая его потенциал для практического применения. Таким образом, данное исследование вносит свой вклад в масштабируемое и интеллектуальное решение давней логистической проблемы, открывая путь к более гибким и экономически эффективным транспортным системам.
Бесплатно
Применение гармонических полуволн для автоматизации управления высокоскоростными поездами
Статья
Процессы экстренного торможения в Европейской системе управления поездами (European Train Control System (ETCS)) связаны со ступенчатым регулированием ускорения (замедления) в зависимости от способности торможения поезда, данных рельефа и меняющейся погоды на маршруте движения. Эти процессы являются определяющими в ETCS. Процедура ступенчатого регулирования замедления осуществляется машинистом многократно в процессе торможения до полной остановки поезда. Начало экстренного торможения и его окончание, а так же сам процесс торможения сопровождается многократным импульсным срабатыванием тормозов, что приводит к скачкам замедления и, соответственно, к повышенному износу тормозной системы, снижению комфорта для пассажиров, из чего следует ограничение максимально допустимой скорости движения. В статье предложена новая концепция и методика построения математических моделей кривых экстренного торможения отличных от кривых ETCS и основанных на гармонических полуволнах. Показано, что кривые торможения ETCS описываются известными степенными полуволнами второго порядка. Совместное их исследование даёт основание утверждать, что применение этих кривых приводит к обязательному импульсному режиму срабатывания тормозов. Предложены два новых варианта моделей кривых экстренного торможения, описываемых гармоническими полуволнами. Первый вариант имеет одно импульсное срабатывание тормозов в конце интервала торможения. Второй вариант свободен от тормозных импульсов и позволяет использовать непрерывное регулирование. Эти модели объясняют особенности ETCS, содержат предложения по их устранению, применимы для разработки новых кривых экстренного торможения, которые позволяют плавно осуществлять экстренное торможение поездов. Работоспособность, отличия и преимущества перед кривыми торможения ETCS показаны на результатах математического моделирования процессов экстренного торможения.
Бесплатно
Примитивы движения робота в задаче планирования траектории с кинематическими ограничениями
Статья
Автоматическое планирование траектории – актуальная научно-техническая задача, решения которой востребованы во многих областях: беспилотный транспорт, роботизированная логистика, социальная робототехника и т.д. Зачастую при планировании траектории необходимо учитывать тот факт, что агент (робот, беспилотный автомобиль и др.) не может произвольно менять ориентацию при движении, другими словами – необходимо учитывать кинематические ограничения при планировании. Одним из широко-распространенных подходов к решению этой задачи является подход, опирающийся на конструирование траектории из заранее подготовленных фрагментов, примитивов движения, каждый из которых в свою очередь удовлетворяет кинематическим ограничениям. Зачастую, акцент при разработке методов, реализующих этот подход, делается на сокращении перебора вариантов при планировании (эвристический поиск), при этом сам набор доступных примитивов считается заданным извне. В этой же работе, мы наоборот ставим своей целью провести исследование и анализ влияния различных доступных примитивов движения на качество решения задачи планирования при фиксированном алгоритме поиска. В частности, рассматриваются 3 различных набора примитивов движения для колесного робота с дифференциальным приводом. В качестве алгоритма поиска используется известный в искусственном интеллекте и робототехнике алгоритм A*. Качество решения оценивается по 6 метрикам, включая время планирования, длину и кривизну результирующей траектории. На основании проведенного исследования делаются выводы о факторах, оказывающих наибольшее влияние на результат планирования, и даются рекомендации по построению примитивов движения, использование которых позволяет достичь баланса между скоростью работы алгоритма планирования и качеством отыскиваемых траекторий.
Бесплатно
Разработка линейной системы управления тягой винтомоторной группы для БПЛА
Статья
Управление ориентацией и позиционированием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) вертикального взлета и посадки мультироторного типа в пространстве неразрывно связано с формированием вектора управления движением, состоящего из комбинации тяг и аэродинамических моментов создаваемых каждой винтомоторной группой. Точность и скорость формирования вектора управления движением в значительной степени влияет на ошибки позиционирования и ориентации БПЛА. В большинстве работ, посвященных синтезу систем управления БПЛА, используется вектор управления движением без учета динамики винтомоторных групп, что в некоторых случаях вынуждает снижать быстродействие системы управления. Повысить быстродействие можно за счет повышения быстродействия формирования тяги винтомоторных групп, для чего предложена линейная система управления тягой винтомоторной группы. Винтомоторная группа в своем составе имеет нелинейную внутреннюю связь по аэродинамическому моменту и выходной сигнал – тягу, нелинейно зависящую от квадрата скорости вращения винта. Обычно, винтомоторной группой управляют как электродвигателем – внутреннюю связь по аэродинамическому моменту рассматривают как внешнее возмущение, а тягой управляют посредством изменения скорости вращения винта, которая вычисляется на основании требуемого вектора управления движением. Предлагается рассматривать тягу и аэродинамический момент как составную часть винтомоторной группы, для которой построить линейную систему управления тягой. Для этого выполнена линеаризация обратной связью системы винтомоторной группы, связывающей подаваемое на двигатели напряжение с вектором управления движением, являющимся выходной величиной. Процесс линеаризации разбит на два этапа: на первом этапе выполнена линеаризация обратной связью по состоянию для электродвигателя с внутренней нелинейной связью по аэродинамическому моменту; на втором этапе выполнена линеаризация обратной связью по выходу, полученной на первом этапе системы с нелинейным выходным сигналом – тягой. В соответствии с принципами подчиненного регулирования для линеаризованной обратной связью винтомоторной группы сформировано управление двигателем. Выполнено моделирование. Важным вопросом при применении линеаризации обратной связью является сохранение качественных характеристик системы управления при несоответствии параметров объекта и модели, параметры которой используются для вычисления линеаризующей обратной связи. В работе проведено моделирование при несоответствии некоторых параметров до 50%.
Бесплатно
Статья
В статье рассматривается разработка математической модели походки человека для синтеза системы управления мехатронного реабилитационного комплекса. Актуальность исследования обусловлена необходимостью создания эффективных реабилитационных технологий для пациентов с нарушениями двигательной функции. Существующие реабилитационные комплексы можно разделить на экзоскелеты и устройства с механическим соединением (end effector), при этом экзоскелеты демонстрируют более высокую реабилитационную эффективность, имитируя естественную походку. Исследование включает анализ различных моделей движения, таких как кинематические, динамические, биомеханические, нейронные сети и алгоритмы управления. Научная новизна работы заключается в создании модели, позволяющей учитывать индивидуальные антропометрические параметры пациента, включая массу и длины сегментов конечностей, а также моделировать поворот ступней. В рамках исследования предложен метод разбиения цикла шага на четыре фазы, каждая из которых описывается отдельной системой математических уравнений, что обеспечивает высокую точность воспроизведения различных этапов движения. Для валидации модели использовалась маркерная система захвата движений, что позволило получить данные о траекториях движения. Результаты показали, что модель эффективно генерирует траектории сагиттальных углов возвышения бедра, голени и стопы, что способствует улучшению управления реабилитационным устройством. В заключение, работа подчеркивает важность математического моделирования для создания адаптивных систем управления, которые могут существенно улучшить процесс реабилитации. Дальнейшие исследования будут направлены на доработку модели и её интеграцию с методами машинного обучения для повышения точности и надежности реабилитационных программ.
Бесплатно
Синтез Fuzzy-регулятора объектом второго порядка с запаздыванием
Статья
В работе предлагается метод реализации синтеза оптимального управления динамическим объектом второго порядка с запаздыванием на базе Fuzzy-контроллера. Применена идея построения фазовой поверхности, совмещающей оптимальное релейное управление в удалении от области равновесного состояния и линейное управление в самой области. Такой подход позволяет избежать автоколебаний в установившемся режиме, при этом сохранив свойства оптимального управления по быстродействию. Траектория переключения в фазовом пространстве, соответствующая решению задачи оптимального управления согласно принципу Максимума, определяется методом обратного по времени вычисления разностного уравнения объекта второго порядка. Для определения области вокруг точки равновесного состояния, где применяется линейный регулятор, предложено использовать результаты моделирования движения точки в фазовом пространстве при оптимальном управлении для объекта с запаздыванием в режиме автоколебаний. Данная область представлена эллипсом, описывающим движение в фазовом пространстве при автоколебательном режиме. Для дальнейшего исключения автоколебаний согласно известным методам субоптимального управления в этой области применён линейный регулятор, настроенный средствами решения вариационной задачи оптимального управления. Предложено использовать инструментарий для синтеза Fuzzy- регулятора, где поверхность переключения и вычисления значения управления может задаваться произвольно. В результате получена переменная структура регулятора для совмещения этих двух подходов. Сформированная модель Fuzzy -регулятора представлена стандартной FLS-структурой, которая была реализована на языке Python во встраиваемом компьютере Orange Pi. Для подключения к действующему объекту управления использован промышленный контроллер FX3U -24MR, связанный с компьютером по сети ModBus. Приведены испытания на эксплуатируемом объекте управления температурой горячего водоснабжения, который максимально близко соответствует исследуемой модели объекта. Метод, идея и результаты, полученные в работе, можно применять и исследовать в синтезе управления динамическими объектами в скользящем режиме для решения актуальных задач, связанных с исключением нежелательного chattering-эффекта.
Бесплатно
Статья
В работе рассматривается проблема управления ориентацией и высотой квадрокоптера при наличии неопределенностей в модели объекта. При решении данной проблемы особенно актуально учитывать особенности объекта: сильную подверженность колебаниям крена, тангажа и высоты из-за конструкции квадрокоптера и динамики моторов (при этом рыскание наименее подвержено колебаниям из-за динамики моторов по сравнению с другими регулируемыми переменными). Для достижения высокого качества регулирования при наличии неопределенностей, как правило, применяют комбинированное управление. Оно строится как сумма двух частей: базовой стабилизирующей и части, компенсирующей неопределенности с помощью наблюдателя возмущений. Стандартно обе части содержат линейные обратные связи. Однако при отработке выходными переменными объекта негладких задающих воздействий линейные обратные связи могут приводить к перерегулированию и к увеличению колебательности. Для предотвращения этих проблем в работе предложен закон комбинированного управления с гладкими и ограниченными обратными связями в виде гиперболического тангенса. Данные обратные связи используются и в регуляторе, и в наблюдателе возмущений. При этом синтез управлений осуществляется на основе структурных свойств объекта с помощью блочного подхода. Его применение обеспечило инвариантность выходных переменных по отношению не только к согласованным, но и к несогласованным неопределенностям, а также позволило построить наблюдатель возмущений минимально возможного порядка. Кроме того, дополнительно для уменьшения колебаний в закон управления введена часть с ускорениями объекта. Для реализации предложенного подхода достаточно знать номинальные значения некоторых параметров объекта и допустимые границы изменения неопределенностей. Приведены результаты натурных экспериментов на квадрокоптере с рамой F450 и результаты сравнительного анализа предложенного подхода с тем, где используются линейные управления.
Бесплатно
