Исследование и разработка бортовых информационно-вычислительных систем управления параметрами движущих объектов

В настоящее время значимость теории навигации определяется высокими требованиями, предъявляемыми к характеристикам современных объектов, движущихся по земле, по воздуху, по воде и под водой, по баллистическим траекториям между двумя точками на земной поверхности, по околоземным орбитам и в межпланетном пространстве. Во всех случаях, в том числе и при малых скоростях, требуется знать параметры движения и местоположения объекта с большой точностью. При этом постоянно растущая интенсивность транспортных потоков на улицах городов, в воздушном пространстве и акваториях портов обуславливает непрерывное повышение требований к точности определения навигационных параметров.

В наше время наука об управлении движущимися объектами имеет особую значимость. Определение положения объекта в пространстве позволяет повышать экономичность и эффективность управления сложными комплексами движущихся объектов. Навигационная система автоматического управления движением позволяет достаточно точно определять местоположение объектов. При помощи информации, получаемой от спутниковой системы, можно осуществлять позиционирование и управлять объектами. Недостатком такой системы является отсутствие канала обратной связи, реализация которого с использованием спутниковой системы имеет весьма высокую стоимость.

В последнее время все больший интерес разработчиков стали привлекать автономные мобильные объекты. Вместе с тем, большинство разработок испытывают дефицит алгоритмов и программ для решения наиболее трудной проблемы — автоматического управления траекторией достижения цели с присутствием большого числа заранее неизвестных помех движению объекта, а также ограниченность возможностей, существующих бортовых аппаратно-программных средств. Перечисленные обстоятельства обосновывают актуальность решаемой в диссертации задачи разработки методов и алгоритмов управления и создания бортовых информационно-вычислительных систем для автоматического или полуавтоматического управления движением объекта (транспортного средства ТС).

Таким образом, необходимость и актуальность разработки новых подходов к синтезу алгоритмов управления подвижными объектами с одной стороны определяется востребованностью автономных, в смысле управления, транспортных систем на их базе, с другой — сложностью реализации систем управления, обеспечивающих требуемые качественные свойства замкнутых систем в рамках существующих подходов. В 60-х гг. XX века в работах А. М. Летова [1] и Р. Кальмана [2] была впервые сформулирована, а затем в работах А. А. Красовского [3], М. М. Атанса и П. Фабла [4] получила существенное развитие теория аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР). Задача АКОР — это задача нахождения закона управления, который обеспечивает минимум некоторого критерии качества на траекториях движения объекта. Закон управления, полученный в результате применения метода АКОР, является замкнутым, т. е. представляет собой совокупность обратных связей. Теория АКОР может применяться для многосвязных систем и достаточно развита с точки зрения математической постановки. В настоящее время теория АКОР считается одним го важнейших достижений современной теории управления.

К наиболее распространенным теоретическим подходам к аналитическому синтезу законов управления динамическими объектами следует отнести: метод обратных задач динамики, разработанный школой А. С. Галиуллина [5, 6] и П. Д. Крутько [7, 8, 9, 10, 11], метод структурного синтеза координирующих систем управления Л. М. Бойчука [12, 13, 14], метод построения систем управления программным движением А. В. Тимофеева [15, 16], метод согласованного управления И. В. Мирошника [17, 18], синергетический метод синтеза А. А. Колесникова [19, 20], метод потенциальных полей О. Хатиба [21], адаптивный подход к синтезу систем управления динамическими объектами [22, 23, 24, 25], оптимизационный подход к синтезу систем управления динамическими объектами [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32], метод аналитического конструирования оптимальных регуляторов [22,24], метод неклассических функционалов (функционала обобщенной работы) А. А. Красовского, включая самоорганизующиеся оптимальные регуляторы с экстраполяцией [35, 36, 37, 38], интеллектуальный подход на базе нейросетей [39, 40, 43] и нечеткой логики [44−45] и основанные на перечисленных методах подходы и методики.

В диссертации рассматривается синтез бортовых систем управления ТС и подходы к алгоритмической и программной реализации методов маршрутизации, контроля и диагностики с использованием информации навигационных систем, внешних параметров среды и параметров ТС.

В первой главе проводится анализ характеристик навигационных систем управления движением объектов. Рассматриваются системы управления движением транспортных средств и предъявляемые ими требования к навигационным системам.

Показано, что основной системы управления движением транспортных средств (ТС), является применяемый метод определения местоположения (ОМП), средства передачи данных (СПД) между ТС, пунктом управления (если таковой имеется) и функциональные возможности бортовой информационно-вычислительной системы.

Для обеспечения максимальной автономности ТС в процессе движения к цели и выбора оптимального маршрута при соблюдении внешних требований среды и внутренних требований к работе узлов и агрегатов важным моментом является выбор аппаратно-программных средств и тактико-технических характеристик бортовой информационно-вычислительной системы. Степень автономности определяется объемом необходимой управляющей информации от центра управления для выбора маршрута движения, режимов движения и т. д.

Прогресс в области микроэлектроники и микропроцессорной техники позволяет по-новому подходить к вопросам проектирования навигационных систем ТС, перекладывая задачи определения маршрута и формирования вектора движения на бортовые информационно-вычислительные системы, используя только навигационную исходную информацию о параметрах местоположения, параметрах трафика и реальной дорожной ситуации. Наличие в составе ТС мощной бортовой информационно-вычислительной системы, включающей в свой состав навигационную аппаратуру, модем сотовой связи, датчиковую аппаратуру связи с внешней средой, устройство обработки внутренних параметров узлов и агрегатов ТС, центральное вычислительное устройство с оперативной и постоянной электрически перепрограммируемой памятью, а также устройство отображения позволяет минимизировать количество обменов с центром управления и ограничить или даже исключить их совсем. Снижение загрузки каналов сотовой связи при построении навигационных систем управления ТС является важной проблемой в условиях роста числа абонентов в сети и развития парка ТС, оснащенных навигационной аппаратурой. Снижаются риски отказа в обслуживании, сокращается время задержки принятия решений, исключаются проблемы связанные с отсутствием или пропаданием связи на определенном пути движения или зонах «непрозрачности». При создании информационно-вычислительных устройств ТС нового поколения уже сегодня могут быть достигнуты желаемые массогабаригные и приемлемые стоимостные характеристики. Задача навигации транспортных средств может быть решена применением бортовой информационно-вычислительной системы в составе транспортного средства.

В ряде стран проводятся работы по разработке систем, указывающих водителю оптимальный маршрут следования к месту назначения. Ряд разработанных систем в настоящее время успешно эксплуатируются. На всех узлах магистрали, где можно изменить направление движения, эти системы дают водителю однозначный ответ на вопрос, какое направление движения ему следует выбрать, чтобы кратчайшим путем прибыть к месту назначения. В конце прошлого столетия появились разработки автономных систем определения текущего местоположения автомашины при поездках в пределах городской черты. В такой системе обмен данными между автомашиной и «внешним миром» отсутствует, а все необходимое электронное оборудование размещается непосредственно в транспортном средстве.

Последние достижения в спутниковой навигации, микроэлектронике и методах цифровой обработки сигналов обеспечили, широкому кругу пользователей, возможность определять параметры местонахождения с высокой точностью при доступной цене. Спутниковые системы являются независимыми (автономными) и без запросными (пользовательская аппаратура только принимает сигнал, не посылая запрос на спутник) и используют сигналы на основе «псевдо шумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков. Навигационные спутниковые системы предназначены для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других ввдов потребителей. NAVSTAR и ГЛОНАСС — системы двойного назначения, изначально разработанные по заказу и под контролем военных для нужд Министерств обороны и поэтому первое, и основное назначение у систем-стратегическое, второе назначение указанных систем гражданское. Исходя из этого, все действующие ныне спутники передают два вица сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных пользователей (этот сигнал закодирован и доступен только при предоставлении соответствующего уровня доступа).

На сегодня в различной степени готовности существуют семь типов спутниковых систем навигации:

NAVSTAR GPS — глобальная система позиционирования;

ГЛОНАСС — глобальная навигационная спутниковая система России;

Галилео — европейский проект спутниковой системы навигации;

1RNSS — индийская региональная навигационная спутниковая система;

Beidou — спутниковая система навигации, созданная Китаем;

QZSS — квази — зенит спутниковая система.

При определении местоположения с использованием информации спутниковых систем возникают ошибки. Выделяют три категории ошибок: ошибки связанные с распространением навигационного сигналаошибки приемной аппаратурыошибки системы связаны точностью атомных часов спутников и соответствием реальной траектории спутников заданной орбите. Корректирующие поправки позволяют повысить точность позиционирования до нескольких метров.

На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений: неточное определение времениошибки вычисления орбитинструментальная ошибка приемникамногоученость распространения сигналаионосферные задержки сигналатропосферные задержки сигналаошибка вызванная несовпадением фазового центра антенны с фактическимгеометрическое расположение спутников.

Предложено по результатам измерений путем цифровой обработки восстанавливать истинную траекторию движения транспортного средства.

Многие компании, разрабатывающие системы местоопределения подвижных объектов, вдут по пути интеграции сотовой связи с глобальной системой спутниковой радионавигации — GPS. Для этого GPS-приемники встраиваются в мобильные телефоны, а при реализации централизованной диспетчерской системы контроля за подвижными объектами информация о местоположении абонентов передается по каналам сотовых систем в виде специальных или стандартных коротких сообщений.

Рассмотрена типовая схема системы позиционирования подвижных объектов в сетях сотовой связи. В состав системы управления входят подсистемы обмена информацией с объектами контроля по радиоканалу, анализа и обработки данных, отображения местоположения объектов и их поиска, планирования маршрутов, информационно-справочная и др. Важной проблемой внедрения услуг позиционирования является вопрос о стацдартизации технологии.

Вторая глава посвящена математическому моделированию систем управления движением. Проводится анализ задач в области моделирования систем управления движением.

В настоящее время в мире остаются актуальными задачи управления движением, связанные с повышением точности систем управления, расширением режимов функционирования путем применения многосвязных нелинейных моделей движения, повышения автономности существующих подвижных объектов, придания системам управления интеллектуальных свойств и согласованности различных уровней этих систем. При этом интеллектуальные технологии применяются для решения задач постановки и корректировки целей управления и программы действий по реализации этих целей, а также для формирования алгоритма управления в условиях неопределенности, обусловленной различными факторами в исполнительных элементах, подсистеме управления движением и подсистеме моделирования. Методы управления движением разделяют на динамические и нединамические. Для нединамических законов управления отмечаются удовлетворительные результаты при решении задач позиционного управления и отработке медленных траекторий. Для точной отработки быстрых траекторий требуется использовать динамические схемы управления. Среди не адаптивных методов управления роботами выделяются: оптимальное управлениеобратные задачидекомпозиция управлениясиловая обратная связь и децентрализованное управление. Для методов оптимального управления отмечается ряд проблем, связанный с использованием линеаризованной модели, а также низкая робастность. Для метода обратных задач и децентрализованного управления отмечаются проблемы, связанные с вычислением полной динамической модели в реальном времени, робастностью полученных законов и выборов коэффициентов регулятора. Основные проблемы управления движением тесно связаны с проблемами современной теории управления: нелинейность, много связность, адаптивность, автономность, оптимальность.

Показана необходимость разработки процедур планирования траектории движения, использующих конечный объем информации в описании генерируемых траекторий, и, следовательно, предполагающих более простое согласование стратегического уровня планирования с тактическим, регуляторным уровнем систем управления ТС.

Рассмотрены возможности оптимизационного подхода к решению задач управления и адаптивного подхода к синтезу систем автоматического управления динамическими объектами. Рассмотрены модели управления ТС с использованием обратной связи. Приведены структурные схемы систем управления различными параметрами движения ТС.

Показано, что синтез приведенных систем управления ТС, математические модели систем управления в вцце передаточных функций, связывающих вход и выход системы могут проводиться методами теории автоматического управления. С помощью матричных методов могут быть исследованы переходные процессы и качество систем управления. С помощью алгебраических и частотных критериев может быть исследована устойчивость системы. С помощью метода корневого годографа могут быть исследованы траектории движения корней на э-плоскости и определены запасы устойчивости.

В системе управления ТС функции регулятора или корректирующего устройства может выполнять микроконтроллер или микропроцессор. Цифровая система оперирует с данными получаемыми в определенные моменты времени. Получаемая последовательность может быть преобразована в область комплексной г-переменной и для анализа устойчивости и качества цифровой системы можно использовать ¿—преобразование передаточной функции. Таким образом, все классические методы анализа и синтеза систем управления теории автоматического управления могут быть использованы при создании систем управления ТС.

Предложена математическая модель системы управления. При этом в качестве критериев оптимальности предложено рассматривать: время достижения цели, расстояние до цели, расход топлива, интегральные критерии переходного процесса и т. д.

В третьей главе проведен анализ методов достижения оптимального применительно к решению задач навигации ТС, предложены алгоритмы решения транспортных задач и формулируются требования, предъявляемые к бортовой информационно-вычислительной системе управления. Рассмотрено решение задач навигации и управления движением в пакете Ма1:1аЬ.

Четвертая глава посвящена разработке структурной схемы бортовой информационно-вычислительной системы ТС. Рассмотрены основные задачи бортовой информационно-вычислительной системы в части контроля, управления и навигации. Б ИВ С управляет режимами работы блоков и, используя информацию от них, решает навигационную задачу с применением различных алгоритмов определения параметров движения с учётом реально сложившейся транспортной обстановки. Определен состав бортовой информационно-вычислительной системы. Сформулированы требования, предъявляемые к вычислительному ядру системы и каналам информационного обмена.

Проведено физическое моделирование и апробирование алгоритмов управления траекторией движения на примере трехколесного полно приводного робота. Колесный робот рассматривается как многоканальная нелинейная динамическая система, которая описывается динамической и кинематической моделями. Задача, решаемая системой управления колесного робота, заключается в создании управляющих воздействий, обеспечивающих перемещение центра масс или другой точки (полюса) платформы в рабочем пространстве. В процессе движения на электронной карте определяются координаты целей, которые записываются в память робота-платформы. Результаты проведенных исследований на физической модели движения робота, по оптимальному маршруту, с учетом внешних помех движению, позволяют сделать выводы о высокой степени совпадения теоретических и практических результатов исследований.