Введение к работе
Актуальность темы
Работа посвящена исследованию и разработке метода решения проблемы синтеза логико-функциональной системы автоматического управления динамическим объектом, летающим роботом, применяемым в области точного земледелия. Точное земледелие (Precision Agriculture) является новым направлением в области сельского хозяйства, относится к адаптивно-ландшафтному земледелию и основано на наукоемких информационных технологиях. Для эффективного применения технологии точного земледелия необходимо располагать полной информацией о процессе выращивания культур. Для этой цели необходимо осуществлять ежедневный мониторинг используемых земель. Такую задачу сегодня могут решать летающие роботы.
Для управления роботами необходимо создания интеллектуальных систем управления. Основой данных систем является наличие режимов принятия решения на основе логической обработки данных. Наличие интеллектуальной системы управления обеспечивает автономный режим управления роботом. Проблема создания или синтеза интеллектуальных систем управления сегодня не решена. В подавляющем большинстве случаев роботы, а особенно летающие роботы, управляются оператором вручную с помощью дистанционных систем управления.
Настоящая работа посвящена созданию вычислительного метода синтеза интеллектуальных, логико-функциональных систем управления. Логико-функциональная система управления включает две подсистемы. Первая подсистема обеспечивает управления в виде непрерывных управляющих воздействий на объект для достижения поставленной цели и обеспечения качества. Данную подсистему называем функциональной, и, как правило, она реализуется в виде регуляторов обратной связи или блоков управления, которые работают под сигналом, определяющим состояния объекта. Вторая подсистема обеспечивает режим принятия решения или выбора. Данную подсистему называем логической, и, как правило, она реализуется на основе множества логических операций.
Логико-функциональные системы управления входят в состав интеллектуальных систем управления, которые сегодня сильно востребованы из-за развития робототехники. Интеллектуальные системы управления должны обязательно включать систему принятия решений, которая, как правило, реализуется в виде логических функций. Области интеллектуальных систем управления сегодня находится в стадии развития и ей посвящены работы российских ученых (Васильев С.Н., Макаров И.М., Осипов Г.С, Пупков К.А и др.). Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию интеллектуальных систем управления, проблема синтеза интеллектуальных или логико-функциональных систем управления сегодня не решена.
В настоящее время появилась возможность построить вычислительные методы решения проблемы синтеза управления на основе последних достижений в области алгоритмизации и программирования. К таким достижениям следует отнести, прежде всего, методы обеспечивающие возможности поиска структуры и параметров математического выражения с помощью вычислительной машины. Наиболее продвинутым результатом в этом направлении является метод сетевого оператора, (Дивеев А.И.). На основе данного метода были разработаны численные методы синтеза систем управления. Метод также позволяет сконструировать алгоритмы для поиска логических функций. Данный метод не использовался для синтеза логико-функциональных или интеллектуальных систем управления. В настоящей работе предполагается применить данный метод для логико-функциональных систем управления.
Построение нового вычислительного метода на основании последних новых научных результатов, метода сетевого оператора, для решения востребованной, но сегодня не решенной, научной задачи, синтеза логико-функциональной системы управления, и
применение разработанного метода для решения важной прикладной задачи определяет актуальность темы диссертационной работы.
Объект исследования
Объектом исследования является система управления летающим роботом типа квадротор, которая должна обеспечивать в автономном режиме достижение поставленных целей с оптимальным значением критерия качества.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационного исследования является разработка эффективного вычислительного метода для синтеза логико-функционального системы управления динамическим объектом, летающим роботом.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Сформулировать задачу синтеза логико-функциональной системы управления, обеспечивающей достижение нескольких целей управления с оптимальными значениями критериев качества.
-
Разработать структуру логико-функциональной системы управления, обеспечивающей последовательное достижение целей с оптимальными значениями критериев качества.
-
Разработать эффективный вычислительный алгоритм, который осуществляет поиск оптимальной структуры и параметров логико-функциональной системы управления.
-
Разработать на основе метода сетевого оператора вычислительный метод синтеза логико-функциональной системы управления летающим роботом.
-
Разработать программный комплекс, реализующий вычислительный метод для решения задачи синтеза логико-функциональной системы управления летающим роботом.
Теоретические и методологические основы исследования
используемые в диссертации, основываются на результатах, полученных в областях теории управления, системного анализа, методах оптимального управления, теории графов, теории алгоритмов.
Научная новизна исследования
В разработке вычислительного метода на основе арифметического и логического сетевых операторов для синтеза логико-функциональной системы управления летающим роботом. В применении разработанного вычислительного метода на основе арифметического и логического сетевых операторов для синтеза системы управления летающим роботом типа квадротор.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты, полученные в работе:
-
Формулировка задачи синтеза логико-функциональной системы управления, обеспечивающей достижение нескольких целей управления с оптимальными значениями критериев качества.
-
Новый вычислительный метод синтеза логико-функциональной системы управления летающим роботом, построенный на основе метода сетевого оператора. Метод позволяет повысить эффективность разработки логико-функциональных систем управления за счет автоматизации процесса синтеза.
-
Вычислительный эволюционный алгоритм поиска оптимальной структуры и параметров системы логико-функционального управления. Алгоритм позволяет повысить эффективность поиска решения за счет использования принципа базисного решения и операций генетического алгоритма.
4) Комплекс программ, реализующий вычислительный метод для решения задачи синтеза логико-функциональной системы управления летающим роботом типа квадротор.
Практическая значимость
Разработанный вычислительный метод синтеза предназначен для построения логико-функциональной системы управления. В диссертации приведен пример синтеза системы управления летающим роботом. На основании разработанных алгоритмов создан программный комплекс для синтеза систем управления.
Публикации
Основные результаты исследования отражены в 7 публикациях автора, из которых 4 работы, опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ. В совместных работах результаты принадлежат соавторам в равных долях.
Апробация работ
Основные положения исследования докладывались и обсуждались
на международной конференции «7th ШЕЕ Conference on Industrial Electronics and Applications (ІСГЕА)» в г. Сингапуре в 2012 г.;
на международном симпозиуме «Надежность и Качества» в г. Пензе в 2012 г.;
- на международной научно-практической конференции «Инженерные системы -
2012» в г. Москве,
а также на семинарах кафедры Кибернетики и мехатроники РУДН и отдела Нелинейного анализа и проблем безопасности ВЦ РАН.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения и заключения. Основное содержание диссертации изложено на 132 страницах печатного текста. Список использованной литературы составляет 89 наименований.
