научная статья по теме ГАРАНТИРОВАННЫЙ ПОИСК ЦЕЛЕВОГО ОБЪЕКТА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ПРИ МИНИМАЛЬНЫХ СВЕТОВЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТАХ Кибернетика

Текст научной статьи на тему «ГАРАНТИРОВАННЫЙ ПОИСК ЦЕЛЕВОГО ОБЪЕКТА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ПРИ МИНИМАЛЬНЫХ СВЕТОВЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТАХ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2009, № 5, с. 143-155

РОБОТОТЕХНИКА

УДК 62-50

ГАРАНТИРОВАННЫЙ ПОИСК ЦЕЛЕВОГО ОБЪЕКТА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ПРИ МИНИМАЛЬНЫХ СВЕТОВЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТАХ*

© 2009 г. В. В. Аветисян, С. Р. Мартиросян

Армения, Ереван, Институт механики НАН Поступила в редакцию 14.05.07 г., после доработки 12.05.09 г.

Рассматривается задача оптимального гарантированного управления электромеханическим манипулятором с целью поиска неподвижного и подвижного целевых объектов. В качестве критерия оптимальности в отличие от [1—6] рассматривается функционал, учитывающий энергозатраты источника света, расположенного на схвате манипулятора. Искомый объект считается обнаруженным при попадании в световой круг с заданной освещенностью. Разработаны алгоритмы управления движением схвата, а также соответствующие законы изменения электрического тока в цепи источника света, обеспечивающие обнаружение искомого объекта как неподвижного, так и подвижного за гарантированное время при минимальных световых энергозатратах в процессе поиска. Даны оценки выигрыша по световым энергозатратам, достигаемые по предложенным алгоритмам поиска.

Введение. В задачах поиска, возникающих во многих областях, в частности, в различных спасательных операциях, в которых требуется найти целевой объект с заранее неизвестными начальными координатами, процесс поиска с последующим обнаружением осуществляется с помощью информационной области чувствительности. В качестве таковой можно рассматривать круговую область, освещенную источником света — световой круг, перемещаемый в "темном" пространстве поиска с целью обнаружения (освещения) искомого объекта. При этом искомый объект может быть обнаружен или распознан при попадании его в световую область только при достаточной освещенности. В случае неподвижного объекта одним из естественных подходов к решению задачи обнаружения является подход, состоящий в построении управлений, при которых, двигаясь по соответствующим траекториям, круг обнаружения обеспечивает просмотр всей области, т.е. заметаемая этим кругом полоса покрывает всю область поиска. Такой подход в силу ограниченности области поиска гарантирует завершение поиска за конечное время [4—6]. Этот же подход применим и в случае подвижного объекта, так как поиск по покрывающим траекториям при дополнительных условиях на геометрические размеры области поиска и радиуса круга обнаружения, а также на максимальные скорости ищущего и искомого объектов позволяет управляемой стороне одновременно ограничить область возможных перемещений искомого объекта, что делает возможным поиск за конечное время [1, 3]. В обоих случаях существует множество управлений и отвечающих им покрывающих траекторий, гаранти-

рующих успешный поиск. В связи с этим целесообразно рассматривать задачу о выборе оптимального гарантирующего управления по отношению к некоторому критерию качества функционирования управляемой ищущей (поисковой) системы. В работе прототипом ищущей системы служит электромеханическая модель робота — манипулятора, а критерий оптимальности представляет функционал, учитывающий энергозатраты электрического точечного источника света, расположенного на схвате манипулятора. Предложены алгоритмы управления движением схвата, а также законы изменения электрического тока в цепи источника света, при которых движение по поисковым траекториям обеспечивает обнаружение искомого объекта за гарантированное время при минимальных световых энергозатратах в процессе поиска в двух различных ситуациях: когда искомый объект неподвижен и подвижен. В обоих случаях оценены выигрыши по световым энергозатратам, достигаемые за счет разработанных алгоритмов поиска.

1. Описание поисковой системы. Рассмотрим трехзвенный манипулятор, работающий в декартовой системе координат Ох1х2х3, т.е. манипулятор, звенья которого перемещаются друг относительно друга в трех взаимно перпендикулярных направлениях [5, 6]. Управление движением манипулятора осуществляется с помощью электроприводов, состоящих из электродвигателей постоянного тока с независимым возбуждением и редукторов. Пусть имеют место следующие допущения [7]: а) редукторы приводов обладают большими передаточными числами; Ь) электромагнитные постоянные времени и характерные вре-

O

G

Y

Рис. 1

мена выхода электродвигателей на стационарный режим вращения намного меньше времени рабочей операции манипулятора.

При таких предположениях управление движением схвата X(x1, xъ Xз) манипулятора по каждой координате xi — кинематическое, а уравнения движения имеют следующий простой вид [5, 6]:

= ui, |и,| <Ui, г = 1,2,3. (1-1)

Здесь Ы1 — управляющее напряжение г -го электродвигателя, и1 — заданные постоянные, к1 — константа (параметр электродвигателя), п— размерное (обратное размерности длины) передаточное отношение, связующее угловую скорость якоря г -го электродвигателя и линейную скорость соответствующего звена ю, = ргХг.

В соответствии с конструкцией рассматриваемого манипулятора, рабочее пространство схвата манипулятора представляет собой параллелепипед

Б = {(Х1, Х2, Хз) : 0 < X,. < с, г = 1,2, 3}. (1.2)

Пусть на прямоугольном основании Б(а1, а2) = {(х1, х2): 0 < х^ < а1, а1 < с1, г = 1,2} (1.3) рабочего пространства манипулятора (1.2) имеется некоторый точечный подвижной объект У, совершающий простое движение в области (1.3)

-2 + v? < v,

(1.4)

У = V у(0) = у , у У(0 = Ш, У2(0)е Б, г > 0.

Предположим, что управляемой стороне в процессе движения доступна полная информация о параметрах рабочей зоны манипулятора (1.2), (1.3) и соотношениях (1.1), (1.4), за исключением начального состояния у (0) = у0 и текущей скорости V(г) объекта У. Пусть на схвате X манипу-

лятора расположено сенсорное устройство — изотропный точечный источник света, при помощи

которого на прямоугольном основании D образуется подвижная и изменяющаяся круговая информационная область чувствительности — световой круг

G(x(t)) = G(x(t), x3(t), Q =

= {f e R2 .• - x\ < r = Qxj, Cj > 0}, (L5)

который можно перемещать в "темной" области с целью обнаружения (освещения) искомого объекта Y при попадании последнего в эту область — y е G(x(t)) (рис. 1).

Область (1.3) — круг с центром в точке x(t) = x x2) е D и с радиусом r = Qx3, Cl = tg(а/2) (рис. 1), где 0 < а < п — угол раствора конуса световых лучей, x3 — расстояние схвата до прямоугольного основания D, а Сь аъ a2 — числа, удовлетворяющие неравенству: rmax = C1 max x3 <

0 < x3 < c3

< V2max(a!, a2)/2 < V2c3/2. Такой выбор параметров a, a2, c3 и Смугла 0 < а < n) позволяет обходить тривиальный случай G з D.

Так как r = Qx3, x3 > 0, то при фиксированном С1 (1.5) эволюция круговой области G(x, x3, Cj) = G(x, r) в прямоугольнике D определяется движением ее центра x с помощью вектора управления и и расширением или сужением области G(x, x3, Cj) путем изменения координаты x3 за счет скалярного управления и3 или, что то же самое, коррекцией ее радиуса r = Qx3 с использованием управления Ur — Cx — Cu.

Искомый объект Y может быть обнаружен или распознан при попадании его в световую область только при достаточной постоянной освещенности E, характеризующей пороговое значение видимости искомого объекта и определяемой по формуле [8]

E = Ф / G, ф = т, п = G/x32. (1.6)

Здесь Q = 4пsin (а/4) — телесный угол конуса направлений световых лучей с углом раствора а, испускаемых источником света O, который расположен на схвате X манипулятора (рис. 1); I — сила света источника в данном направлении; Ф — световой поток, созданный источником света O в телесном угле D, x3 — расстояние от источника света до плоскости освещения D (1.3).

Будем рассматривать такое расположение источника света, при котором радиус-вектор x3, проведенный из точечного источника света к середине круговой площадки G, составляет с нормалью к площадке нулевой угол. Тогда из вышеприведенных формул получим E = I/x32 или

Е = Ф/(Пх32). (1.7)

Используя известное соотношение Ф = kQ [8] между световым потоком Ф и мощностью световой энергии Q, которую можно считать равной электрической мощности потребляемой источником света, величину освещенности Е допустимо вычислять как мощность энергии светового излучения, падающего на плоскость, отнесенной к единице площади освещенности

Е = kQ/( 0x2), (1..)

где к — коэффициент пропорциональности. Из (1.8) имеем

Q = ЕОх32/к. (1..)

Интеграл от функции (1.9) при постоянных Е и 0(а = сош^0 < а < п)

J = = Ер |х32Л

(1.10)

J =

= = |/2Яйг, Q = /2Я,

(1.11)

точечный объект У (1.4) в том и только в том случае, когда в некоторый момент времени г > 0 выполняется условие обнаружения

|у(г) - х(г)| < г(г )^П(/(г)), 0 < /(г) < /0, г > о,

(1.14)

о о

дает величину потребляемой энергии источником света в течение промежутка времени освещения [0, 7]. Функционал (1.10) характеризует энергозатраты в процессе поиска световым устройством и в соответствии с (1.1) является функцией от и3.

Согласно закону Джоуля — Ленца, величину электрической энергии, потребляемой источником света в течение времени [0, 7] освещения, можно выразить следующим образом:

т т

о < ¡(г) < /0, г е [О,т],

где / — действующее значение тока, проходящего через источник света, /0 — максимально допустимое действующее значение тока, а Я — активное сопротивление в цепи источника света. Из (1.9), (1.11) получаем зависимость величины освещенности Е от электрического тока / и расстояния х3 от точечного источника света до центра световой области

Е = / 2Як/(Пх1). (1.12)

Приравнивая значения функционалов (1.10) и (1.11), найдем действующее значение тока

/(г) = Шх()' (1.13)

х3(г) > 0 0 < /(г) < /0, г е [0,7], которое с учетом третьего уравнения (1.1) определяет связь между функциями и3 = и3(г) и / = / (г), доставляющих одно и то же значение функционалу (1.10).

В соответствии с вышеизложенным будем считать, что поисковая система (1.1) обнаруживает

г(г) = с1х3(г), х = (хъх2) е Б, 0 < х3 < с, С1 > 0.

Физико-геометрический смысл условия (1.14) состоит в следующем. В случае когда в течение некоторого интервала времени источник света от-ключен(/(г) = 0), то, согласно (1.12), Е =

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком