Введение к работе
Актуальность темы исследования. По мере усложнения автономных мобильных объектов и расширения круга задач их применения, существующие системы навигации перестают удовлетворять требованиям, связанным с точностными, массогабаритными, стоимостными и прочими характеристиками. На данный момент модернизация навигационных систем базируется на улучшении характеристик инерциальных датчиков или разработке новых перспективных программно-алгоритмических комплексов обработки навигационной информации. Применение интеллектуальных алгоритмов, нацеленных на обоснованное комплексирование данных с учётом не только конструктивных, но и ситуативных особенностей используемых сенсоров, шумовые характеристики которых зависят от характера движения мобильного объекта, позволяет повысить точность навигационной системы, а применение МЭМС (микроэлектромеханические системы ) датчиков — существенно удешевить и улучшить массогабарит-ные показатели.
Цель работы. Целью диссертации является повышение точности работы навигационного комплекса в составе систем управления автономными мобильными объектами за счёт разработки интеллектуальной системы навигации, основанной на высокоэффективных алгоритмах комплексирования разнородной навигационной информации с помощью методов искусственного интеллекта
Поставленная цель диссертационного исследования определяет совокупность решаемых в ней задач, главными из которых являются:
разработка принципов построения интеллектуальной навигационной системы для управления автономными подвижными объектами;
разработка алгоритмов обоснованного выбора инерциальных чувствительных элементов интеллектуальной навигационной системы с учётом конструктивных и ситуативных особенностей снимаемых данных;
разработка программно-аппаратного комплекса, реализующего алгоритмы анализа шумовых составляющих инерциальных МЭМС датчиков;
разработка программно-аппаратного комплекса, реализующего алгоритмы интеллектуального комплексирования разнородных данных с учётом специфики сильносвязанной и слабосвязанной навигационной системы;
проведение экспериментальных исследований по внедрению системы навигации автономных объектов в условиях плотной городской застройки;
проведение экспериментальных исследований по внедрению навигационной системы на примере сельскохозяйственной техники при решении задач параллельного вождения и высокоточного земледелия.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- обосновании перспективности новой технологии построения навигаци
онной системы, обеспечивающей повышение её точности за счёт применения
интеллектуальных алгоритмов обоснованного комплексирования информации
от навигационных датчиков в зависимости от тактики движения мобильного
объекта; на основе этого предлагается два подхода повышения точности сильносвязанной и слабосвязанной навигационных систем;
на основе анализа основных типов МЭМС датчиков показано, что ключевые шумовые составляющие могут являться основой формирования критериев обоснованного выбора датчиков для интеллектуальной бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), а для исследования шумовых характеристик предлагается разработанный программно-аппаратный комплекс для анализа шумовых характеристик МЭМС датчиков и последующего выбора подходящего сенсора из требований разработчика;
предлагаются принципы построения БИНС, в которых осуществляется обоснованное комплексирование информации с навигационных сенсоров на основе интеллектуальных алгоритмов, учитывающих тактику движения мобильного объекта. Такие БИНС предложено называть интеллектуальными; а в качестве базовой интеллектуальной технологии показана перспективность применения технологии экспертных систем;
на базе интеллектуальной технологии экспертных систем разработан алгоритм сильносвязанной системы навигации с адаптивным фильтром Калма-на с учётом ситуативной значимости шумовых показателей МЭМС датчиков; модельные эксперименты показали повышение точности на 40%;
предложен алгоритм слабосвязанной системы навигации на базе технологии экспертных систем, включающий два самостоятельных алгоритма ком-плексирования в зависимости от динамики движения мобильного объекта (на этапах разгона и торможения, при разворотах и т.д.): алгоритм определения углов поворота и алгоритм идентификации состояния движения автономного мобильного объекта; на базе данных алгоритмов построен алгоритм динамической калибровки, позволяющий повысить точность работы БИНС на 20%;
на базе разработанного программного-аппаратного комплекса для анализа шумовых составляющих предложена методика модельно-ориентированного программирования для реализации интеллектуальной БИНС, упрощающая процедуру разработки навигационной системы путём сокращения времени прототипирования и моделирования происходящих в ней процессов;
Реализация результатов диссертации. Практические результаты получили положительные отзывы при внедрении на предприятиях, в их числе:
аппаратно-программный комплекс интеллектуальной слабосвязанной системы навигации на базе технологии экспертных систем, протестирован и используется на предприятии ООО «ВейРей» при решении задачи навигации автономных мобильных объектов в условиях плотной городской застройки; результаты экспериментов показали увеличение точности навигации по сравнению с аналогами в среднем на 20%.
аппаратно-программный комплекс интеллектуальной сильносвязанной системы навигации на базе технологии адаптивного фильтра Калмана, прошедший апробацию в задачах высокоточного земледелия при создании системы параллельного вождения для сокращения затрат при посеве зерновых культур,
на предприятии ООО «Агро-Нова» В рамках эксплуатации обеспечено повышение точности поддержания межрядового расстояния в пределах 40%, что позволило сократить расходы зерна на 20% по сравнению с другими конкурентными образцами.
Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, были использованы при разработке курса "Локальная навигация мобильных роботов" на кафедре проблем управления «МИРЭА-Российского технологического университета».
Личный вклад автора состоит в анализе проблем и обосновании перспектив развития систем навигации, в разработке принципов построения аппаратных средств и программно-алгоритмического обеспечения высокоточных малогабаритных систем навигации, а также в подготовке публикаций. В работе [2], автор проводит анализ шумовых составляющих инерциальных датчиков, реализует аппаратное моделирование, высказывает ряд значимых предложений по ситуативной значимости данных с инерциальных сенсоров. В работах [1-4] автор вносит предложение по концепции разработки интеллектуальных навигационных систем на базе HIL-моделирования. В работе [5-6] личный вклад автора заключался в разработке программно-алгоритмического обеспечения слабосвязанной системы навигации на базе технологий экспертных системы и аппарата нечёткой логики. В работах [7-8] автор обосновывает перспективы использованию HIL моделирования при построении сложных динамических систем.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на нескольких научно-технических конференциях: 20 Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 28 – 29 мая 2012 г); XXI Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», (Алушта, сентябрь 2012), І-ая Международная научно-техническая конференции «Информатика, управление и искусственный интеллект, (г. Харьков, 19 – 21 ноября 2014); ІІ-ая Международная научно-техническая конференция «Информатика, управление и искусственный интеллект, (г. Харьков, 21 – 22 ноября 2015).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 12 публикациях, из них 2 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть работы содержит 173 страниц машинописного текста, 32 рисунка и 22 таблицы. Список литературы включает 120 наименований.