Теоретическое обоснование адаптивной структуры системы автономной наземной навигации специального транспортного средства

В путевых автономных наземных навигационных системах специальных транспортных средств используются для измерения навигационных параметров, помимо основного, несколько дополнительных измерителей. В качестве таковых могут применяться инерциальные и электронно-механические высокоточные измерители. Использование дополнительных аппаратных средств наряду с программными делает возможным синтезировать адаптивную структуру автономной системы наземной навигации (СНН).

Под адаптацией понимается изменение параметров или структуры системы, а в некоторых случаях и управляющих воздействий, на основе текущей информации, получаемой при оценивании и прогнозировании состояний, с целью достижения определенного, обычно оптимального, состояния системы при начальной неопределенности и изменяющихся условиях работы. Адаптация допускает изменение параметров системы или ее структуры, а также учитывает управляющие воздействия на основе текущей информации от внутренних и/или внешних источников [1–3].

Для навигационных систем эффективным способом повышения безотказности и точности при эксплуатации является применение принципа автоматического управления состоянием систем. Автоматическая навигационная система включает

в свой состав устройство, выполняющее оценивание и прогнозирование состояния систем измерения, принятие решения и управление состоянием систем с целью их повышения безотказности и точности.

Управление состоянием навигационных систем с целью повышения их точности и безотказности должно быть адаптивным, т.е. их изменение следует производить на основе принципа адаптации для управления безотказностью, точностью, работоспособностью и качеством функционирования.

Адаптивное управление состоянием систем включает в себя [4, с. 103]:

• -    оценивание текущего состояния системы;

• -    прогнозирование состояния системы;

• -    принятие решения на изменение структуры и состояния системы;

• -    выработку способа и закона управления системы;

• -    целенаправленное изменение состояния системы в соответствии с принятым решением и разработанным законом управления.

Основными задачами оценивания состояния систем измерения являются определение работоспособности, точности, поиск и обнаружение неисправностей в системе.

Под управлением состоянием динамических систем понимается целенаправленный процесс изменения параметров (структуры) системы, а также управляющих воздействий с целью предупреждения и устранения отказов системы и достижения ею оптимального качества функционирования. Управление состоянием динамических систем с целью повышения их точности и безотказности можно выполнить тремя способами:

• 1)    изменением структуры системы;

• 2)    изменением параметров системы;

• 3)    выработкой дополнительных входных (управляющих) воздействий.

В обобщенном виде структурная схема адаптивной автоматической системы измерений навигационных параметров представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема адаптивной системы измерений

В состав системы входят: измерители входной информации (датчики информации) 1, 2, .„, n ; блок анализаторов 3; синтезатор 4; коммутатор 5; вычислительное устройство 6.

Датчики информации измеряют навигационные параметры СТС и передают ее в устройство обработки. В качестве измерителей используются датчики, основанные на различных физических принципах определения параметров движения: механический датчик пути/скорости (МДП/МДС), доплеровский датчик скорости (ДДС), измеритель линейных ускорений (акселерометр), оптоэлектронный датчик скорости (ОЭДС) и др.

Анализатор 3 является сложной частью системы, выполняет разнообразные функции и в своем составе содержит устройства оценивания состояния систем измерения и автоматического поиска неисправных блоков. Он имеет входы, связанные как с системами контроля блоков устройства, так и с внешними источниками информации.

Синтезатор 4 предназначен для выработки и принятия решения на проведение необходимых настроек параметров или реконфигурацию структуры системы измерения с целью устранения отказов и обеспечения заданного качества функционирования измерительной системы. В состав синтезатора входят следующие устройства: сравнения, логическое и принятия решений.

Коммутатор 5 предназначен для включения измерительных элементов, соответствующих условиям функционирования СТС.

Вычислительное устройство 6 служит для выполнения математической обработки результатов измерений.

В основу построения адаптивной структуры СНН должны быть положены следующие основные принципы: возможность решения задачи в условиях неопределенности и недетерминированности; иерархичность и строгая соподчиненность различных операций; наличие функционального взаимодействия элементов; адаптивность и самообучаемость; логическая обусловленность и др.

Синтез адаптивной структуры СНН включает следующие четыре этапа.

• 1.    На первом этапе необходимо определить, какие факторы влияют на качество функционирования автономной СНН. К внутренним факторам можно отнести работоспособность и точность работы устройств СНН. К внешним – факторы, которые создают неблагоприятные условия функционирования СТС, такие как наличие на дорожном покрытии воды, льда, свежего снега и пр. В этих условиях при работе одного из высокоточных измерителей, например ОЭДС, при освещении его минипрожекторами дорожного покрытия отраженные сигналы от неоднородностей покрытия, воспринимаемые датчиками первого и второго каналов, могут быть либо слабыми, либо совсем отсутствовать.

• 2.    На втором этапе проводится выбор диапазонов скоростей, в которых должны функционировать те или иные датчики скорости и ускорений, входящие в состав СНН. Например, при скорости движения СТС менее 5 км/ч не используют ДДС, а применяют акселерометр, что позволяет обеспечить более высокую точность измерений и т.д.

• 3.    На следующем этапе формируется функция состояний устройства, которую можно записать в следующем виде:

• 4.    Следующий этап заключается в составлении системы логических уравнений в соответствии с логикой работы устройства. На основании логики работы устройства для определения уточненного расстояния, пройденного СТС, решается система математических уравнений и определяются поправочные коэффициенты для подкалибровки значений измерения МДС.

С целью упрощения алгоритмов оценивания и прогнозирования состояния СНН выбирают наиболее существенные факторы, которые оказывают наибольшее влияние на качество работы системы.

F = f ( t , x_i , A _ВК , V ), (1) г д е t – время; x_i – состояние датчиков скорости и ускорений СТС ( х исправен, x неисправен, погрешности измерений в допуске или нет I = 1… n ); A _ВК – внешняя информация об условиях функционирования устройства ( k = 1…8); V – скорость движения СТС.

Представлена структурная схема адаптивного устройства (рис. 2) для автономного определения расстояния, пройденного СТС [5].

ВЕСТНИК РОСНОУ. Серия «Сложные системы…»

Рис. 2. Структурная схема адаптивного устройства путевой СНН СТС

Устройство содержит: блок измерителей (ИС) – 1, который включает в свой состав следующие устройства: механический датчик скорости МДС – 2; акселерометр – 3; доплеровский датчик скорости ДДС – 4; оптоэлектронный датчик скорости ОЭДС – 5; системы контроля датчиков СК – 6; коммутатор – 7; блок анализа БА – 8; определитель скорости и расстояния ОР – 9; блок индикации ИНД – 10. Блок измерителей, включающий четыре измерителя, позволяет получить более точную информацию после ее обработки о пройденном СТС расстоянии.

Для обработки поступающей информации используется специальный блок – блок анализа условий функционирования, который управляет работой коммутатора 7, в зависимости от внешних условий работы СТС и внутреннего состояния устройства. Для этого блок БА имеет специальные входы, на которые поступает как информация от систем контроля всех измерителей, так и команды от внешних источников, задаваемых в виде кодов. Кроме этого, на отдельный вход блока БА поступает информация от блока определителя скорости и расстояния о значениях погрешностей измерителей, т.е. в допустимых пределах находятся они или нет.

Блок анализа представляет собой цифровой автомат с памятью, имеющий N входов y ₁ …y_n ; L – внутренних переменных x_i и К выходов z ₁ … z_k , обеспечивающий оптимальное функционирование устройства.

Определитель скорости и расстояния имеет в своем составе арифметикологическое устройство, счетчик интервалов измерений, устройство форматирования информации.

Блок индикации отображает полученные результаты измерений пройденного СТС расстояния.

Устройство работает следующим образом. В начале движения после любой остановки СТС блок анализа 8 вырабатывает сигналы в соответствии на данный момент с ситуацией, задаваемой внешними командами (ВК) в виде кодовых комбинаций, поступающей на его входы, например движение СТС по маршруту со скоростью менее или более 5 км/ч, движение по контрольному участку, все датчики скорости исправны или какой-то из них неисправен, допустимо ли генерирование радиочастот во время работы датчика ДДС и т.д. Таким образом, функцию состояний устройства можно записать в следующем виде:

F = f ( x_p C j , A вк , V ), (2) где х_i – состояние датчиков скорости и ускорений (исправен, неисправен, погрешности измерений в норме или нет, i = 2…5), c_j – показания систем контроля датчиков ( j = 1…4), A _ВК – внешние команды; V – скорость движения СТС.

Представлены следующие комбинации возможных воздействий внешних и внутренних факторов, определяющих различные состояния СТС.

• А. Скорость движения V < 5 км/ч.

• 1.    Результаты измерений датчиками 2, 3, 5 совпадают, т.е. x ₂ = x ₃ = x ₅ .

• 2.    Результат измерений датчика 5 не совпадает с остальными, но его погрешность в пределах нормы, т.е. x2 = x3 ^ x5._

• 3.    Погрешность измерений датчика 5 выше нормы, т.е. x 2 = x 3 ^ x ₅ .

• 4.    Не совпадает результат измерений датчика 3, но его погрешность в пределах нормы, т.е. x2 = x5 ^ x3._

• 5.    Погрешность измерений датчика 3 выше нормы, т.е. x 2 = x 5 ^ x ₃ .

• Б. Скорость движения V > 5 км/ч.

• 1.    Результаты измерений датчиками 2, 4, 5 совпадают, т.е. x 2 = x 4 = x 5 .

• 2.    Результат измерений датчика 5 не совпадает с остальными, но его погрешность в пределах нормы, т.е. x2 = x4 ^ x5._

• 3.    Погрешность измерений датчика 5 выше нормы, т.е. x 2 = x 4 ^ x ₅ .

• 4.    Не совпадает результат измерений датчика 4, но его погрешность в пределах

Рис. 3. Реализация булевых функций на матрицах ПЛМ: а) матрица И, б) матрица ИЛИ

Матрица И формирует термы 1 1 , 1 ₂ , .„ 1 ₁₃ (рис. 3). Матрица ИЛИ формирует выходы БА F _Д1... F _Д3 , соответствующие состоянию движения СТС, и F _П4 _ F _П6 , соответствующие профилактическому обслуживанию [6, с. 86]:

F _Д1 = x 2 x 3 x 5 v x 2 x ₃ x 5 v x 2 x ₃ x 5 v x 2 x 3 x ₅ v x 2 x 3 x ₅ ,

F д₂ = ^x 2 ^x 4 ^x 5 ^{V x} 2 ^x 4 ^x 5 ^{V x} 2 x 4 x 5 ^V x 2 x 4 x 5 ^V x 2 x 4 x 5 ^,

F _Д3 = x 2 x 5 v x 2 x ₅ v x 2 x ₅ ,

F _П4 = x 2 x 3 x 5 v x 2 x 3 ₃ x 5 v x 2 x 3 ₃ x 5 v x 2 x 3 x ₅ v x 2 x 3 x ₅ ,

F _П5 = x 2 x 3 x 5 V x 2 x 3 x 5 V x 2 x 3 x 5 V x 2 x 3 x 5 V x 2 x 3 x 5 ,

FП6 = x2 x5 v vx2 x5 v x2 x5, где F 1 F6 - состояния устройства, определяемые информацией на входах 1, 2, 3 БА; x2 - исправное состояние МДС; x3 - акселерометр исправен; x3 - акселерометр неисправен, погрешность в пределах нормы; X3 - погрешность выше нормы; x4 - ДДС исправен; X4 - ДДС неисправен, погрешность в пределах нормы, X4 - погрешность выше нормы; x5 - ОЭДС исправен; X5 - ОЭДС неисправен, погрешность в пределах нормы; X5 - неисправен, погрешность выше нормы.

В блоке 9 происходит математическая обработка принятой из коммутатора 7 информации в соответствии с системой уравнений (4):

U 1 = ⁽ У 2 + У 3 + У 5^)/3 V ( у 2 + у 3 + у ₅)/3 V

^{v (} у 2 + у 5 ) / ^{2 V (} у 2 + у 3 + у 5 ) / ^{3 V (} у 2 + у 3 ) / 2 ,

U 2 = ⁽ у 2 ⁺ у 4 ⁺ у 5^{)/3 V (} у 2 ⁺ у 4 ⁺ у 5^{)/3 V}

• ^{V (} у 2 ⁺ у 5^{)/2 V (} у 2 ⁺ у 4 ⁺ у 5^{)/3 V (} у 2 ⁺ у 4^)/2,

U 3 = ⁽ у 2 ⁺ у 5^{)/2 V (} у 2 ⁺ у 5^)/2 ,                      ⁽⁴⁾

U 4 = ⁽ у 2 ⁺ у 3 ⁺ у 5^{)/3 V (} у 2 ⁺ у 3 ⁺ у 5^{)/3 V}

• ^{V (} у 2 ⁺ у 5 ) / ^{2 V (} у 2 ⁺ у 3 ⁺ у 5 ) / ^{3 V (} у 2 ⁺ у 3 ) / ² ,

U 5 = ⁽ у 2 ⁺ у 4 ⁺ у 5^{)/3 V (} у 2 ⁺ у 4 ⁺ у 5^{)/3 V}

• ^{V (} у 2 + у 5^{)/2 V (} у 2 + у 4 + у 5^{)/3 V (} у 2 + у 4^)/2 ,

U 6 = ⁽ у 2 ⁺ у 5^{)/2 V (} у 2 ⁺ у 5⁾²

где U_i – усредненная информация о скорости движения СТС с учетом внешних и внутренних условий функционирования ( i = 1…6); y_j – информация о скорости движения СТС, поступающая от датчиков скорости и ускорения ( j = 2…5).

Для выработки информации о скорости и пройденном СТС расстоянии в блоке определения скорости и расстояния имеются арифметико-логическое устройство, в котором производится обработка информации, представленной системой уравнений 4, счетчик интервалов, в котором производится суммирование количества интервалов измерений и суммирование отрезков пути, проходимых СТС.

Необходимая информация из блока ОС и Р подается в БА, например информация о скорости движения CТС для ее сравнения с фиксированной константой, хранящейся в БА. В зависимости от результатов сравнения в БА вырабатывается соответствующая команда. Разность между показаниями МДС и значениями усредненной скорости движения СТС в виде поправочных коэффициентов фиксируется в устройстве и используется для подкалибровки значений МДС при определении пройденного расстояния.

Таким образом, с применением АСНН повышается точность измерения расстояния, проходимого СТС, на основе анализа информации от высокоточных датчиков скорости и ускорений устройства, их систем контроля, учета условий функционирования СТС и автоматической коррекции единичного приращения пути в зависимости от условий движения.