Логическое управление робототехническими системами на основе конечных автоматов

Актуальность проблемы. Развитие робототехники является одним из важнейших показателей научно-технического, промышленного и военного потенциала любой страны, характеристикой ее технического прогресса.

В последнее время робототехника развивается ускоренным темпом. Благодаря широкому внедреншо робототехники в различные технологические процессы удается повышать и производительность труда, и качество выпускаемой продукции, и конкурентоспособность предприятия. Дополнительно при этом удается освободить людей от многих видов утомительного, однообразного, тяжелого труда, а также от работы во вредных для здоровья человека условиях.

По последним данным в 1980 году на каждые 100 тысяч служащих в Японии приходилось по 8,3 робота, а в 1996 году — по 265. Для Германии те же показатели равны 2 и 79. Для США — 3 и 38. Для Сингапура — О и 98. Общее количество разных роботов в 1982 году составляло 35 тысяч, в 1996 году оно равнялось 677 тысячам, в ньшешнем году превысит 950 тысяч. Робототехника уже становится неотъемлемой частью производственной и исследовательской деятельности человека в самых различных областях.

В 60-ых годах появление робота сразу вызывало повышеннью интересы со стороны промышленного производства. Но в связи с ограничением по мощности вычислительной техники того временш промышленный робот являлся только предметом исследования в различных лабораториях, научных центрах, институтах. В то время огромный вклад в решении теоретических проблем робототехники внесли научные коллективы МГТУ имени Н. Э. Баумана, ИПМ имени Келдыша РАН, института машиноведения имени Благонравова РАН, ИППИ РАН, МИРЭА, ЛПИ имени Калинина, ЛИИ АН под руководством С. В. Емельянова, И. М. Макарова,.

Д.Е.Охошшского, В. М. Пономарева, Е. П. Попова, К. В. Фролова. Именно благодаря их общему усилию проблема управления роботом на сегодняшний день уже можно считать почти решенной.

Если промышленный робот рассматривается как объект управления, то для построения систем управления сложной технической системой такого рода требуются подходящие математические методы. Структура системы управления носит явный иерархический характер. Перечисляем все уровня снизу наверху:

• приводной уровень;

• траекторный уровень;

• уровень интерпретации;

• л опиеский уровень;

• уровень управления материальным потоком;

• уровень искусственного., интеллекта.

Вообще принято, что для каждого определенного уровня системы управления применяется соответственный математический метод. Например, для приводного уровня широко используются системы дифференциальных уравнений, для уровня искусственного интеллекта, — нечеткая логика.

На приводном уровне осуществляется вычисление и генерация управляющих сигналов на приводы подвижных сочленений манипулятора. Входом является требуемое состояние механизма в пространстве управляемых (обобщенных) координат. Выходом являются управляющие сигналы на интерфейснью модули. В качестве модели управляемого объекта уровень привода должен иметь полную динамическую модель манипулятора, сопряженную с моделями таких устройств, как двигатели, регуляторы, усилители мощности, датчики обратных связей и т. д.

Тракторный уровень делится на два подуровня: подуровень планирования и генерации траектории и подуровень преобразования координат. Подуровень планирования и генерации траектории выполняет функцию поиска и вычисления требуемой движения схвата маьпшулятора. Подуровень преобразования координат выполняет функцию преобразования траектории, заданной в абсолютном пространстве, в траекторию в пространстве обобщенных координат. Входом данного уровня является имя кадр, определяющего как перемещения к ней. На самом деле для адаптивных роботов часто бывает невозможно полностью определить эту точку на этапе об>Ления, поэтому часто используется термин «фрейм» вместо термина «кадр», имея в виду, что некоторые компоненты этой структуры будут заполняться на этапе исполнения. Л Выходом данного уровня является траектория перемещения схвата в абсолютном пространстве. В качестве модели управляемого объекта для данного уровня принимается кинематическая модель манипулятора.

Уровень интерпретации выполняет функцию интерпретации фрейма. Фреймом называется структурированный набор данных, описывающих элементарное действие, которое надо выполнить манипулятору в данный момент. Входом является имя фрейма. Выход совпадает с входом предыдущего уровня. Чаще всего моделью управляемого объекта для уровня интерпретации является схват машшулятора, рассматрршаемый объект как твердое тело.

Логический уровень выполняет функцию логического управления всем активным оборудованием, в том числе и промышленным манипулятором и системой очувствления. Его входами являются со стороны человека-оператора программа функционирования, определяющая поведение робототехнического комплекса в целомсо стороны нижнего уровня и технологического оборудования поступает информация о текущем состояшга выполняемого задания.

Расширение возможных областей применения роботов приводит к необходимости построения сложных технических систем, включающих несколько роботов, систем очувствления, технологическое оборудование. Подобная тенденщ1я объединения тех1шческих систем в одну систему, такую, что решаемая ей задача декомпозируется по входящим в ее состав подсистемам, наметилась недавно. Хороший пример сложных технических систем дают роботизированные гибкие производственные модули, являющиеся основным элементом компьютерно-интегрированного производства. Кроме того, ряд прикладных задач, связанных с осуществлением операций сборки/разборки (особенно в экстремальных средах), требует использования многокомпонентных роботизированных систем. Основными характерными особенностями сложных систем являются:

• Наличие большого числа управляемых подсистем,.

• Распределение задачи, решаемой сложной системой в целой, по подсистемам.

Появление нового класса робототехнических систем, названных сложными робототехническими системами (СРС), поставило перед исследователями целый ряд задач, важнейшими из которых является разработка методов утфавления СРС.

Эта проблема является чрезвычайно важной и перспективной для научного исследования. Среди известных исследователей можно назвать научные коллективы: МГТУ имени Н. Э. Баумана, МГУ имени М. В. Ломоносова, Санкт-Петербургский государственный технический университет, университет Синьхуа, государственный исследовательский центр робототехники Китая и т. д.

Вышесказанное обстоятельство объясняется актуальностью решения подобной проблемы в робототехнике. Данной проблеме посвящено большое количество работ [15,17,21,22,23,27,36,47,53].

Объектом нашего исследования является СРС — сложная робототехническая система. В настояшее время существует ряд различных математических методов для моделирования логики работы технологических процессов СРС. Основные методы показаны ниже:

• сеть Петри;

• конечно-автоматная сеть;

• автоматные системы взаимосвязанных графов;

• дилогические автоматы;

• граф — схемы взаимодействия параллельных процессов.

Сеть Петри и конечно-автоматная сеть используются наиболее широко [1,5,10,11,27,40,41,42,43,46,48,50,52,55,58]. Эти методы подробно изложены в следующем разделе.

Проектирование cncteMbi логического управления реализовано на основе алгоритмизации и программирования [8,9,19,25,24,25,30,31 532,38,64. Благодаря интенсивному развитию вычислительной техники решение реализации на основе комплексного программного обеспечения становится реальным: Естественно, специфика промышленных применений выдвигает особые требования к используемому программному обеспечению. Ниже приведены основные требования к программному обеспечению в промышленном применении:

• Надежность.

• Быстрое реагирование на внешние события или изменения в параметрах управляемых процессов.

• Многозадачность.

Названным требованиям должны удовлетворять все уровни профаммного обеспечения системы. Условно программное обеспечение можно разделить на три уровня:

• Базовая система ввода-вывода (BIOS).

• Операционная система и драйверы (ОС).

• Собственно прикладные программы. BIOS осуществляет непосредственный интерфейс между аппаратурой и программным обеспечением верхних уровней. Основная опасность при обращении к BIOS — это возможность запрета прерываний на достаточно долгое время, в результате чего может быть пропущена важная информация от быстродействующих датчиков или телекоммуникационных устройств. По этой причине многие операционные системы минимизируют взаимодействие с BIOS или не обращаются к ней вообще.

Операционная система выполняет базовые функции поинтерфейсу с оператором, запуску программ, распределению памяти, поддержке файловой системы и т. п. Разработчик системы автоматизации, как правило, выбирает операционную систему реального времени. В настоящее время существуют несколько десятков операционных систем реального времени, как QNX, OS-9000, VxWorks, iRMX, VRTX, Nucleus и другие[39,68].

Целью диссертационной работы является разработка метода синтеза управляющей структуры и соответствующего алгоритмического и программного обеспечения системы логического управления сложной РТС.

В соответствии с этим в работе были поставлены и рещены следующие задачи:

• Разработка комбинированного подхода к синтезу управляющей структуры на базе сети Петри и конечно-автоматной сети.

• Формирование правил поиска оптимальной управляющей структуры на базе сети Петри по критерию сложности.

• Разработка алгоритма свертки конечно-автоматной сети.

• Разработка метода минимизации управляющего конечного автомата с помощью введенного понятия объединяемого состояния.

• Проведение экспериментальных исследований разработанного алгоритмического и программного обеспечения.

Диссертация состоит из введения, семи глав, объединенных в три раздела, заключения и списка литературы.

ВЫВОДЫ;

1. Экспериментом доказана работоспособность разработанных автором методов.

2. Эффективность использования разработанных методов является существенной: объем памяти, необходимой для хранения данных и инструкций могут быть уменьшена в 2−3 раза.

— 2003 АКЛЮЧЕНИЕ.

В результате проведенных автором исследований получены следующие основнью научно-технические результаты:

1. Сформулированы правила поиска оптимальной управляющей структуры, позволяющие существенно уменьшать сложность вычислительной процедуры.

2. Разработан язык описания управляющей структуры.

3. Разработан алгоритм свертывания конечно-автоматной сети, позволяющий заменить конечно-автоматную сеть эквивалентным автоматом, что является важным для промышленных приложений.

4. Разработан алгоритм минимизации конечного автомата на основе введенного понятия «объединяемого состояния», позволяющий существенно сократить объем оперативной памяти контроллера, необходимой для программной реализации управляющей структуры.

5. Разработаны методы реализации в ввде программного продукта в среде операционной системе реального времени QNX.

Результаты, полученные из исследования в диссертационной работе, могу быть непосредственно реально использованы в следующих организациях и предприятиях: ОАО «Красный пролетарий», АЗЛК, АО «АвтоВАЗ», AMO ЗИЛ, а также в вузах машиностроительного профиля при изучении курса «Управление робототехническими системами» .