Разработка автоматизированного программно-аппаратного комплекса для исследования многокоординатных нелинейных механизмов на примере прецизионных триподов

Автоматизация процессов производства, исследования, тестирования, документооборота является на данный момент одним из неотъемлемых этапов развития большинства видов систем. Обоснованное применение процессов автоматизации позволяет достичь существенного повышения эффективности производства. Развитие информационных технологий способствует внедрению автоматизированных систем в различные области промышленности и научной деятельности. Автоматизация позволяет достичь существенного повышения эффективности, при возросшем уровне качества, в процессе решения задач, связанных с обработкой и систематизацией большого количества информациипериодических однотипных задач. Также автоматизированные системы могут быть полезны для разработки эмуляторов дорогостоящего оборудования, физических процессов, природных явлений. Эмуляторы позволяют проводить эксперименты в виртуальном времени, с любым количеством взаимодействующих элементов, без необходимости, например, подвергать опасности дорогостоящее оборудование. Применение автоматизированных систем для научных исследований (АСНИ) позволяет существенно повысить эффективность исследований, облегчить проведение экспериментовдает возможность использовать дополнительные методы исследований, комплексных испытаний образцов устройств. Наиболее эффективно использовать АСНИ в областях, которые имеют дело с большим количеством информации, статистических данных. Использование точных моделей разрабатываемых устройств позволяет улучшить технико-экономически характеристики, выявить ошибки проектирования на ранней стадии исследований, что в конечном счете приводит к снижению затрат на исследование и разработку продукта [45].

Отличительной особенностью АСНИ от других автоматизированных систем, является характер информации, получаемой на выходе системы. В первую очередь, результатами работы АСНИ являются обработанные экспериментальные данные в форме, удобной для аналитического исследования результатов. Однако, наиболее важными результатами являются полученные на основе экспериментальных и аналитических данных математические модели исследуемых объектов, явлений или процессов. АСНИ могут использовать готовые математические модели для изучения и уточнения поведения тех или иных объектов, процессов, моделей системы. Таким образом, АСНИ часто является средством получения, исследования, корректировки моделей, используемых затем в других типах автоматизированных систем [60].

Автоматизированная система научных исследований и комплексных испытаний образцов новой техники (АСНИ) — это программно-аппаратный комплекс на базе средств вычислительной техники, предназначенный для проведения научных исследований или комплексных испытаний образцов новой техники на основе получения и использования моделей исследуемых объектов, явлений и процессов [46]. При этом требуется обеспечивать такие параметры как: высокая точность средств измерения, большая плотность монтажа (микроминиатюризация) в целях увеличения числа каналов измерений, высокая производительность средств сбора и анализа данных и т. д. [45].

Актуальность темы

Перспективным направлением исследований является разработка прецизионных установок, использующих механизмы с параллельной кинематической структурой, которые позволяют проводить высокоточные операции [16, 18, 98]. Механизмы параллельной кинематики — устройства, исполнительное звено которых соединяется с основанием с использованием нескольких независимых кинематических цепей, обладают рядом преимуществ перед устройствами с последовательной компоновкой. Исследователи механизмов параллельной кинематики отмечают недостаток в эмуляторах и автоматизированных системах для научных исследований (АСНИ), с помощью которых можно было бы проводить полноценное исследование и определение теоретических возможностей проектируемых параллельных механизмов [76, 92, 98]. Отмечается, что автоматизация проведения экспериментов, создание сред моделирования и автоматической обработки данных может существенно повысить эффективность исследований и снизить количество ошибок, допускаемых на ранних стадиях разработки систем [26, 32, 45]. Так как научные исследования и разработка АСНИ — это итеративный процесс, целью которого является автоматизация систем развития науки и техники [42], а в последнее время проводится большое количество исследований и разработок устройств, на основе механизмов параллельной кинематики [54, 98], то тема исследования и разработки АСНИ параллельных механизмов является весьма актуальной и своевременной.

Объектом исследования является АСНИ механизмов параллельной кинематической структуры.

Предметом исследования является структура, математическое и программное обеспечение АСНИ механизмов параллельной кинематики на примере прецизионных триподов.

Целью диссертации является разработка структуры, математического и программного обеспечения автоматизированного программно-аппаратного комплекса для исследования многокоординатных нелинейных механизмов параллельной кинематики.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• анализ результатов, полученных по основным направлениям исследований в области применения робототехнических систем и механизмов параллельной структуры, с целью выявления особенностей и принципов построения математических моделей;

• анализ и разработка структурной и кинематической моделей, необходимых ограничений модели устройствасинтез и исследование алгоритмов анализа рабочей области, управления движением;

• разработка структуры АСНИ, обеспечивающей полноту методов исследования;

• разработка архитектуры и программного кода системы, с учетом особенностей управления прецизионным устройством в режиме реального времени;

Методы исследования. В работе используются методы теории автоматического управления, теории механизмов и машин, аналитической геометрии и дискретного анализа, имитационного моделирования, проектирования программных систем.

В работе получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

• разработана структурная схема, программное обеспечение и методы применения АСНИ прецизионных механизмов параллельной кинематики, позволяющие более эффективно: автоматизировать процесс исследования, изучать устройства нестандартной конфигурации, оценивать показатели качества алгоритмов управления, проводить эксперименты с реальными устройствами;

• разработан более эффективный, с точки зрения вычислительной сложности, алгоритм расчета оптимальных скоростей двигателей прецизионных механизмов параллельной кинематической структуры, при прохождении заданной траектории, на основе принципа оптимальности Беллмана и методов динамического программирования — алгоритм связного оптимального управления двигателями механизмов параллельной кинематической структуры;

• разработан алгоритм построения траекторий движения прецизионных механизмов параллельной кинематики на основе методов алгоритма Витерби, с возможностями обхода особых положений системы, оптимизации траектории по длине пути и точности позиционирования, и при этом применимый к работе в высоко-дискретном пространстве состояний.

Достоверность результатов и выводов работы обусловлена строгостью математических выкладок, применением только общепринятых допущений, проверкой результатов на основе компьютерного моделирования различных типов механизмов параллельной кинематики и исследованиями макета экспериментальной установки, а также тестами разработанной системы. Практическая значимость.

Разработанная АСНИ может быть использована для построения систем управления прецизионными механизмами с параллельной кинематической структурой, может применяться для исследования параметров, оценки рабочих характеристик на раннем этапе разработки, верификации систем и алгоритмов управления проектируемых механизмов, решения задач терминального и траекторного управления, слежения и стабилизации. АСНИ позволяет автоматизировать технологическую подготовку формирования компетенций по различным направлениям обучения, в том числе: 220 400 — Управление в технических системах- 221 000 — Мехатроника и робототехника- 220 401.65.04 -Прецизионные мехатронные устройства- 221 000.68 — Системное моделирование в мехатронике- 220 401 — Мехатроника- 220 100 — Системный анализ и управление.

Практическая значимость работы подтверждается поддержкой правительства Санкт-Петербурга в виде присуждения победы проекту в конкурсе грантов для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук 2010 г., что удостоверяет диплом ПСП № 10 123.

Внедрение результатов работы. Разработанная система применяется в НИУ ИТМО на кафедре измерительных технологий и компьютерной томографии при разработке проектов: по созданию системы нейронавигации для стереотаксических операций совместно с институтом мозга человека им. Н. П. Бехтеревой РАНприбора дистракции трубчатых костей совместно с НИДОИ им. Г. И. Турнерадля исследования разрабатываемого на кафедре прецизионного пяти-координатного механизма с параллельной кинематической структурой. Система внедрена в учебный процесс на кафедрах измерительных технологий и компьютерной томографии, компьютерных образовательных технологий. Установка внедрена в «ООО Научно-производственное предприятие Мехатронные Прецизионные Механизмы» (ООО «НПП МПМ»).

Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на двенадцати международных и всероссийских конференциях и семинарах: VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых СПб-ГУ ИТМО (2010 г., Санкт-Петербург) — ХЬ научная и учебно-методическая конференция национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (2011 г., Санкт-Петербург) — VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых СПб-ГУ ИТМО (2011 г., Санкт-Петербург) — Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011» (2011 г., Одесса) — XVIII Всероссийская научно-методическая конференция Телематика'2011 (2011 г., Санкт-Петербург) — Десятая сессия международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» посвященная памяти В. П. Булатова (2011 г., Санкт-Петербург) — Единая образовательная информационная среда: направления и перспективы развития (2011 г., Томск) — XIV Конференция молодых ученых «навигация и управление движением» (2012 г., Санкт-Петербург) — I Всероссийский конгресс молодых ученых (2012 г., Санкт-Петербург) — XLI научно-методическая конференция НИУ ИТМО с участием молодых ученых (2012 г., Санкт-Петербург) — Информационная среда вуза XXI века (2012 г., Куопио, Финляндия) — Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2012 (2012 г., Одесса).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в тринадцати печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемых научных журналах [2, 4], рекомендованных ВАК РФ для представления основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка трех публикаций проводилась совместно с соавторами, при этом вклад автора был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Выводы.

Разработан программно-аппаратный комплекс для исследования прецизионных механизмов параллельной кинематики, удовлетворяющий следующим требованиям:

• простота изменения параметров механизма с возможностью, в том числе, задания степеней свободы отдельных элементов;

• возможность простой автоматизации исследований и интеграции со сторонними модулями и механизмами без изменения программного кода системы;

• возможность использования унифицированной алгоритмической библиотеки управления устройствами.

При разработке системы была учтена необходимость возможности управления системой в реальном времени, в том числе ряд операций был ускорен с помощью приоритезации и параллельных потоков выполнения. Комплекс имеет функциональный пользовательский интерфейс с графическим отображением трехмерных моделей системы, возможность интерактивного управления [8]. Обеспечена возможность пользовательской визуализации всех расчетных величин в виде графиков или точек в трехмерном пространстве представления модели. Разработанная АСНИ является интероперабельной и кросс-платформенной. Приведены рекомендации по дальнейшей возможной оптимизации производительно сти.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках диссертационной работы получены следующие результаты: 1. Разработан программно-аппаратный комплекс для исследования прецизионных механизмов параллельной кинематики, удовлетворяющий следующим требованиям: простота изменения параметров механизма с возможностью, в том числе, задания степеней свободы отдельных элементоввозможность простой автоматизации исследований и интеграции со сторонними модулями и механизмами без изменения программного кода системывозможность использования унифицированной алгоритмической библиотеки управления устройствами. АСНИ позволяет автоматизировать технологическую подготовку формирования компетенций по различным направлениям обучения, в том числе: 200 100 — Приборостроение (магистр) — 230 400 — Информационные системы и технологии (магистр) — 230 100 — Информатика и вычислительная техника (магистр) — 221 700 — Стандартизация и метрология (магистр) — 220 100 -Системный анализ и управление (магистр) — 220 400 — Управление в технических системах (магистр) — 221 000 — Мехатроника и робототехника (магистр). При разработке системы была учтена необходимость возможности управления системой в реальном времени, в том числе ряд операций был ускорен с помощью приоритезации и параллельных вычислений. Комплекс имеет функциональный пользовательский интерфейс с графическим отображением трехмерных моделей системы, возможность интерактивного управления. Обеспечена возможность пользовательской визуализации всех расчетных величин в виде графиков или точек в трехмерном пространстве представления модели. Проведено численное моделирование автоматизированного синтеза механизмов различных конфигураций, апробация возможности автоматизированного выявления и анализа конфигурационного пространства, рабочих характеристик устройства на основе интегрированной библиотеки алгоритмов и пользовательских сценариев. Приведен пример исследования особых положений механизмов на примере трипода. Представлены методы автоматизации поиска оптимального количества степеней свободы для исследуемого устройства, с учетом, в том числе, точек неопределенности управления системы. Рассмотрена применимость разработанной АСНИ в исследованиях.

2. Произведен синтез эффективного, по скорости вычисления, алгоритма, обеспечивающего оптимальную по времени стабилизацию движения по программной траектории, с учетом прецизионности и характеристик двигателей, без ресурсоемкой процедуры численного решения прямой задачи кинематики. Выполнение алгоритма происходит в лучшем случаем за два прохода по всем точкам траектории, в худшем случае — за два с половиной прохода, и сложность алгоритма можно записать как 0(п*т), где т — количество опор устройства, п — количество точек моделируемой траектории, что эффективнее наиболее часто применяемых методов на основе решения прямой задачи кинематики. Потребление памяти прямо пропорционально количеству точек траектории, так как для каждой точки сохраняются изменения длин опор 4, и полученное время задержки прохождения,. Проведено численное моделирование движения механизма по прямолинейной или случайной траекториям с целью проверки эффективности разработанного алгоритма — полученные результаты совпадают с ожидаемыми.

3. Разработан эффективный алгоритм построения траекторий движения механизмов параллельной кинематики, с учетом прецизионности, возможностью обхода особых положений. Сложность алгоритма в наилучшем случае стремится к линейной зависимости от п, где п — количество точек получаемой траектории, в наихудшем — к экспоненциальной, так как при этом алгоритм сводится к волновому или А*. Количество потребляемой памяти прямо-пропорционально сложности. Увеличение количества параллельно-вычисляемых путей и оптимизация степени разнесения значений их критериев оптимальности, для преодоления зон локального минимума, увеличивает вероятность избежания наихудшего случая, хоть и снижает производительность в наилучшем случае. Использование в качестве одного из критериев оптимальности степени близости к особым положениям, позволяет повысить эффективность их обхода и преодоления, а также оценить возможную и задать необходимую точность прохождения траектории. Построена математическая модель исследуемого трипода, установлены параметры и возможные ограничения моделирешена задача о положениях, терминального, траекторного управления, задача слежения.