Введение к работе
доктор технических наук, профессор А.И.Погалов
.
Диссертация посвящена созданию бортовых информационно-вычислительных систем управления, использующих для определения координат и маршрутов движения навигационные спутниковые системы и системы сотовой связи, результаты математического моделирования с использованием бортовых систем мониторинга и управления движением объекта с учетом его параметров и дорожной обстановки в режиме реального времени, решению задач управления движением транспортных средств, исследованию эффективности методов достижения цели и разработке алгоритмов управления параметрами движущихся объектов.
Актуальность проблемы.
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 восстребованностью 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.
К наиболее распространенным теоретическим подходам к синтезу законов управления динамическими объектами следует отнести: метод обратных задач динамики, разработанный школой A.C. Галиуллина и П.Д. Крутько, метод структурного синтеза координирующих систем управления JI.M. Бойчука, метод построения систем управления программным движением A.B. Тимофеева, метод согласованного управления И.В. Мирошника, синергетический метод синтеза A.A. Колесникова, метод потенциальных полей О. Хатиба, адаптивный подход к синтезу систем управления динамическими объектами, оптимизационный подход к синтезу систем управления динамическими объектами, метод аналитического конструирования оптимальных регуляторов, метод неклассических функционалов A.A. Красовского, включая самоорганизующиеся оптимальные регуляторы с экстраполяцией, интеллектуальный подход на базе нейросетей и нечеткой логики 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.
Цель работы и задачи исследования. Работа посвящена повышению эффективности функционирования бортовых информационно-вычислительных средств за счет создания новых моделей, применения новых методов, алгоритмов и реализации на их основе системы навигации, мониторинга и управления движением объекта (ТС), с учетом внешних параметров, параметров систем объекта, результатов математического моделирования и обеспечения безопасности движения.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
-
Исследование и разработка методов формирования и управления маршрутами движения.
-
Анализ методов информационного обеспечения управления движением объекта.
-
Разработка бортовой информационно-вычислительной системы управления движущимся объектом.
-
Разработка методов и алгоритмов управления параметрами движущихся объектов и формирования вектора управления.
-
Разработка методов и средств верификации сложных алгоритмов автоматического управления движением автономного мобильного объекта при наличии препятствий.
-
Сравнение навигационных систем определения точного местоположения транспортных средств.
-
Определение требований к навигационным системам и системам автоматического управления движением объектов;
-
Исследование методов определения оптимальной траектории движения;
-
Математическое моделирование задач навигации и управления с использованием методов движения к оптимальному результату;
Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили элементы общей теории систем, методы системного и кластерного анализа методы компьютерного моделирования.
Научная новизна: Диссертационная работа представляет собой совокупность научно-обоснованных технических разработок, направленных на создание бортовых информационно-вычислительных систем, методов и алгоритмов повышения эффективности систем навигации и управления движением.
В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:
предложена концептуальная модель системы навигации, мониторинга и управления движением объекта (ТС) с учетом внешних параметров, параметров систем объекта, результатов математического моделирования и обеспечения безопасности движения;
предложены способы определения наилучшей траектории движения с использованием методов стремления к оптимальному;
проведен анализ характеристик спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС, Галилео, Beidou, IRNSS, DORIS, QZSS и NAVSTAR GPS, их особенностей и методов повышения точности местоопределения движущихся объектов;
предложена структурная схема бортовой информационно- вычислительной системы управления;
предложены алгоритмы работы бортовой информационно- вычислительной системы управления;
проведено математическое моделирование задач навигации и управления движением;
разработаны программы управления маршрутом движения трёхколёсного полноприводного робота;
результаты исследования свойств специального типа движения полноприводного робота;
На защиту выносятся:
модель системы навигации, мониторинга и управления движением объекта (ТС), с учетом внешних параметров, параметров систем объекта, результатов математического моделирования и обеспечения безопасности движения;
предложенные способы определения наилучшей траектории движения с использованием методов стремления к оптимальному;
результаты анализа характеристик спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС, Галилео, Beidou, IRNSS, DORIS, QZSS и NAVSTAR GPS, их особенностей и методов повышения точности местоопределения движущихся объектов;
предложенная структурная схема бортовой информационно-
вычислительной системы управления;
предложенные алгоритмы работы бортовой информационно-
вычислительной системы управления;
результаты математического моделирования задач навигации и управления движением;
разработанные программы управления маршрутом движения трёхколёсного полноприводного робота;
результаты исследования свойств специального типа движения полноприводного робота;
Практическую значимость имеют:
предложенные способы определения наилучшей траектории движения с использованием методов стремления к оптимальному;
предложенная структурная схема бортовой информационно- вычислительной системы управления;
предложенные алгоритмы работы бортовой информационно- вычислительной системы управления;
результаты математического моделирования методов решения задач навигации и управления движением;
разработанные программы управления маршрутом движения трёхколёсного полноприводного робота;
разработанные методы навигации и управления движением трехколесного объекта;
Разработанные структурные схемы системы управления движения ТС, алгоритмы управления и результаты математического и физического моделирования используются в учебном процессе.
Достоверность результатов работы обусловлена соответствием свойств исходных данных решаемой задачи постановке научной задачи и используемыми методами ее решения.
Достоверность результатов работы подтверждается также результатами математического и физического моделирования и их высокой степенью соответствия.
Личный вклад автора Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:
предложенные способы определения наилучшей траектории движения с использованием методов стремления к оптимальному;
предложенная структурная схема бортовой информационно- вычислительной системы управления;
предложенные алгоритмы работы бортовой информационно- вычислительной системы управления;
результаты математического моделирования методов решения задач навигации и управления движением;
разработанные программы управления маршрутом движения трёхколёсного полноприводного робота;
разработанные методы навигации и управления движением трехколесного объекта;
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на следующих Международных и Всероссийских конференциях:
Микроэлектроника и информатика-2009. 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов.
Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010. 13-Международная конференция студентов и молодых ученых.
Микроэлектроника и информатика. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов – 2010 год.
Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы. Международная научная школа для молодежи – 2010 год.
Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011. 14-Международная конференция студентов и молодых ученых.
Микроэлектроника и информатика. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов – 2011 год.
Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике – 2011.
Научная сессия НИЯУ МИФИ-2012. 15-Международная конференция студентов и молодых ученых.
Микроэлектроника и информатика. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов – 2012 год.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы отражены в 16 работах, в том числе в 3 статьях в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 13 работ.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 169 наименований и приложений. Общий объем диссертации 152 страницы (122 страницы основного текста), содержит 56 рисунков и 10 таблиц. В приложениях приведены документы о внедрении результатов диссертационной работы, результаты физического моделирования, а также фрагменты листингов разработанного программного обеспечения.
