Интеллектуальная система управления маневрированием буксируемых тросовых систем

Проблемной областью данной диссертационной работы являются вопросы управления маневрированием в среде буксируемых тросовых систем (БТС), состоящих из ведущего объекта (судно, ЛА и т. п.), ведомого объекта (исследовательский аппарат, груз и др.) и соединяющего их троса. Рассматривается подкласс БТС, у которых ведущий объект является активным, а ведомый — пассивным (не имеющим собственных органов управления).

Актуальность работы определяется многообразием, сложностью и практической значимостью задач траекторного управления БТС. Подводные БТС применяются для исследования дна мирового океана (системы DSS-125, DEEPTOW, DIGITOW — США, RAIE I, RAIE II — Франция, IBAK — Германия и др.) [72,77], поиска и идентификации объектов (обломков самолетов, потерпевших крушение над океаном, затонувших кораблей, ракет, подводных лодок и др.), расположенных на больших глубинах (до нескольких километров) [13,14].

Областью применения аэродинамических БТС являются задачи транспортировки грузов на внешней подвеске ЛА, мониторинга объектов на заданном полигоне, разведывательные работы в горной местности и др. Важными достоинствами БТС по сравнению с автономными системами являются большая продолжительность непрерывной работы, сравнительно низкая стоимость производства и эксплуатации, а также отсутствие риска для экипажа [46,62].

Решению задач управления маневрированием БТС в среде посвящен целый ряд отечественных и зарубежных работ [3,4,20,22,29,45,47,65,73 и др.]. При этом решение этих задач ведется, как правило, в предположении об отсутствии рельефа местности, либо рассматривается только такой рельеф, при котором избежание столкновений ведомого объекта с препятствиями может быть достигнуто за счет подбора троса при помощи лебедки. Однако даже в этом случае методы решения задачи существенно отличаются в зависимости от рассматриваемых режимов функционирования БТС. Несмотря на большое количество наработок в данной области, в большинстве случаев для решения задачи управления траекторным движением БТС требуется труд высококвалифицированных специалистов в области составления и решения дифференциальных уравнений динамики БТС.

Работы, посвященные разработке методов определения траекторий маневра БТС с учетом рельефа местности, на сегодняшний день очень немногочисленны, что свидетельствует о том, что данная проблема требует дальнейшего исследования.

Развитие информационных технологий и вычислительной техники позволяет ставить задачи в более общем виде, устраняя принципиальное различие между методами решения задач выбора траектории маневра БТС для различных режимов ее функционирования и позволяя учитывать более широкий спектр факторов, влияющих на выбор траектории маневра БТС.

Работа посвящена разработке методического, алгоритмического и программного обеспечения процесса нахождения оптимальной траектории маневра БТС, приводящего к единообразному решению характерных терминальных задач.

В качестве характерных задач рассматриваются:

— вывод подводного буксируемого аппарата в заданный район полигона с соблюдением требуемого направления его прохода;

— перевод БТС на новый галс (курс);

— транспортировка груза на внешней привязи ЛА в заданный район;

— мониторинг заданного множества участков местности исследовательским аппаратом на внешней привязи ЛА.

Для решения задачи выбора маневра БТС необходимо найти такую траекторию движения ее ведущего объекта, при которой обеспечивается допустимое движение БТС в целом, а оценка соответствующего маневра является наилучшей в смысле принятого критерия. В качестве критерия оптимальности рассматривается взвешенная сумма оценок экономичности и безопасности маневра БТС.

Эффективность решения задачи в значительной мере зависит от того, насколько точно модели БТС и окружающей среды отражают объективные условия выполнения маневра.

Задача определения текущего положения концевых объектов и конфигурации троса БТС также является важной, но она может быть решена независимо от выбора метода определения траектории маневра БТС. Методы решения этой задачи рассмотрены в [4]. В данной диссертационной работе исходное состояние БТС считается известным.

Движение БТС в целом определяется движением ее ведущего объекта, потоком внешней среды (течением, ветром) и характером рельефа местности в районе маневра. Проблемы при определении оптимальной траектории маневра БТС связаны с двумя основными факторами. Во-первых, динамика БТС, как объекта с распределенными параметрами, описывается нелинейными дифференциальными уравнениями с частными производными, граничные условия для которых задаются выбранным законом движения ведущего объекта и динамикой ведомого объекта. Поэтому прогнозирование управляемого траекторного движения БТС является самостоятельной сложной задачей. Во-вторых, к маневру БТС предъявляются требования по обеспечению минимума продолжительности и максимума безопасности, что может быть достигнуто только с учетом карты местности в районе маневра.

Важным аспектом решаемой задачи маневрирования БТС является возможность практической реализации метода отыскания требуемого маневра БТС, т. е. возможность создания методического, математического и программного обеспечения, необходимого для машинной реализации этого метода в допустимых временных пределах.

Таким образом, основными свойствами, которыми должен обладать метод решения рассматриваемой задачи оптимального управления, являются точность решения и его практическая реализуемость.

Цель работы заключается в разработке методического, математического и программного обеспечения решения задачи определения наилучшей в смысле принятого критерия траектории маневра БТС с учетом заданной карты местности и потоков внешней среды. В связи с этим основными задачами, решаемыми в данной диссертационной работе являются:

— высокопроизводительная организация процесса прогнозирования управляемого траекгорного движения БТС на основе использования методов интеллектуального управления;

— разработка метода нахождения траектории ведущего объекта БТС с учетом карты местности и специальных условий безопасности маневра;

— разработка алгоритмов решения характерных задач управления БТС на основе предложенных методов и критериев;

— создание пакета прикладных программ, позволяющих реализовать работу указанных алгоритмов на ЭВМ.

Для решения задачи определения траектории маневра ведущего объекта БТС использованы методы оптимального управления, методы на основе теории нечетких множеств (НМ) и технологии экспертных систем (ЭС).

Научная новизна данной диссертационной работы состоит в использовании методов интеллектуального управления для единообразного решения комплекса задач поиска оптимальной траектории с учетом моделей местности и нелинейной динамики траекторного движения БТС в среде и определяется следующими результатами проведенных исследований:

— предложена структура системы управления (СУ) маневрированием БТС, осуществляющей управление на основе использования базы знаний о динамике БТС и учитывающей особенности рельефа местности и потоков среды в районе выполнения маневра;

— разработана методика прогнозирования управляемого траекторного движения БТС на основе анализа ее движения при условии последующего прямолинейного движения ее ведущего объекта для различных исходных конфигураций троса;

— разработан метод построения искомой траектории движения ведущего объекта БТС на карте местности, позволяющий рассматривать множество исходных и целевых областей с заданными ограничениями на направление их прохода БТС;

— построена система эффективных алгоритмов, позволяющих осуществить машинную реализацию процесса нахождения искомой траектории движения БТС.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработанный метод определения траектории маневра БТС позволяет учитывать не только сложную динамику БТС, но и рассматривать комплекс мер безопасности маневра, включающий в себя учет рельефа местности, потоков внешней среды и специальные условия сохранения целостности БТС. Созданные средства выбора траектории маневра БТС не требует высококвалифицированного труда для составления и решения уравнений динамики БТС для каждого из режимов ее функционирования. Разработанные в рамках данной диссертационной работы методы определения траектории маневра сложного динамического объекта реализованы и внедрены в ОАО «ОКБ Сухого» для использования в рамках создания интеллектуальных систем управления ЛА.

В первом разделе диссертационной работы формулируются общие принципы выбора траектории движения БТС с учетом особенностей ее динамики и характеристик ландшафта окружающей среды. Выделяются факторы, определяющие эффективность решения задачи выбора траектории маневра БТС. Формулируется интегральный критерий качества маневра, учитывающий наряду с продолжительностью маневра оценку его безопасности. При задании терминальных условий задачи предполагается возможность наличия одновременно целой группы исходных и конечных пунктов БТС. Рассматриваются особенности моделирования движения БТС с применением полной и упрощенной (стержневой) ее моделей и дается их сравнительная оценка с точки зрения точности и скорости моделирования. Приводится обзор традиционных методов решения задачи управления маневрированием БТС. Рассматриваются подходы, основанные на методах численного решения уравнений динамики БТС, методах ситуационного управления с использованием базы знаний об управлении маневрированием БТС, метод динамического программирования и подход, основанный на идее применения искусственных нейронных сетей для выбора наилучшего из нескольких эталонных решений.

Во втором разделе рассматривается задача прогнозирования (моделирования) траекторного движения БТС. Рассматривается вариант применения ЭС для прогнозирования траектории маневра БТС, предполагающий использование информации, накопленной в базе знаний в процессе предварительного обучения. При заполнении базы знаний предлагается использовать подход, основанный на проведении тестового имитационного моделирования с последующим переходом к логико-лингвистическому описанию задачи управления. Дается сравнительная оценка эффективности применения различных математических моделей БТС.

Третий раздел посвящен изложению метода определения программной траектории движения ведущего объекта БТС. Предложенный метод предполагает построение множества аппроксимированных траекторий движения ведущего объекта БТС, при которых обеспечивается допустимое движение БТС в целом. Рассматривается множество только таких траекторий, критериальная оценка которых не превышает оценку искомой траектории. Формулируется критерий, позволяющий классифицировать определенные последовательности ячеек карты местности как прямолинейные участки результирующей траектории маневра. Использование этого критерия позволяет повысить точность учета направления движения БТС, а также сократить продолжительность искомого маневра. При сравнении конкурирующих траекторий маневра учитываются параметры текущего состояния БТС.

В четвертом разделе приведено описание структуры разработанного в рамках данной диссертационной работы пакета прикладных программ «Маневр». Изложена методика использования этого пакета для решения задачи управления траекторным движением БТС. Выделяются три этапа решения задачи выбора траектории маневра БТС: предварительный, подготовительный и финальный.

Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, Москва, МТУСИ, 1998, 1999 и 2002 гг. и отражены в восьми научных статьях [15−17,39−43] и четырех отчетах о НИР [31−34].

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Структура интеллектуальной системы выбора траектории движения БТС, обеспечивающей выполнение задачи управления с учетом динамики БТС, рельефа местности и заданных терминальных условий.

2. Методика прогнозирования управляемого траекторного движения БТС на основе использования базы знаний о динамике БТС.

3. Метод построения и сравнения программных траекторий движения БТС с учетом параметров ее состояния и возможностью решения задач управления с множеством целевых областей.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение интеллектуальной системы управления маневрированием БТС.

Выводы по четвертой главе.

1. На базе разработанных средств методического и математического обеспечения рассматриваемой задачи создано ее программное обеспечение в виде пакета прикладных программ «Маневр».

2. Разработана методика применения пакета прикладных программ «Маневр» при решении задачи выбора траектории маневра БТС. Методика включает в себя три этапа: предварительный (определение параметров БТС), подготовительный (заполнение нечеткой базы знаний) и финальный (задание карты местности и решение задачи).

3. Для описания условий выполнения маневра в данном пакете предложена многослойная структура карт местности, каждый слой которых содержит описание того или иного фактора, влияющего на оценку траектории маневра БТС.

4. На примерах решения характерных задач управления маневрированием БТС в среде показано, что полученные в данной диссертационной работе результаты позволяют единообразно решать широкий круг задач этого класса.

Заключение

.

В процессе выполнения работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработана интеллектуальная СУ траекторией движения БТС, обеспечивающая единообразное решение типовых задач траекторного маневрирования БТС с учетом заданных терминальных ограничений, динамики БТС и рельефа местности в районе выполнения маневра.

2. Разработана нечеткая продукционная база знаний, содержащая информацию о результатах тестового имитационного моделирования управляемого движения БТС на основе ее полной математической модели. Результаты компьютерного моделирования показали, что использование нечеткой модели БТС позволяет более чем на три порядка повысить скорость прогнозирования траекторного движения БТС по сравнению с вариантом решения уравнений динамики БТС численными методами.

3. Выделены три основных параметра, определяющих движение БТС при условии последующего прямолинейного равномерного движения ведущего объекта БТС: координаты положения в плане ведомого объекта относительно ведущего и угол между векторами скорости их движения. Допустимость описания состояния БТС этими тремя параметрами для решения задач траекторного маневрирования БТС подтверждена результатами имитационного моделирования.

4. Разработан метод генерации и сравнения программных траекторий движения БТС, учитывающий вектор ее текущего состояния и позволяющий рассматривать множество исходных и целевых областей на заданной карте местности.

5. Разработано методическое, алгоритмическое и программное обеспечение решения задачи управления маневрированием БТС в классе интеллектуальных систем управления (пакет прикладных программ «Маневр»). Результаты моделирования показали способность разработанных средств единообразно решать широкий круг характерных задач управления траекторным движением БТС, не предъявляя высоких требований к квалификации оператора СУ маневрированием БТС.