ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БЕЗЭКИПАЖНОГО СУДНА В ЗАДАННУЮ ТОЧКУ

  • В.Х. Пшихопов НИИ робототехники и процессов управления Южного федерального университета
  • М.Ю. Медведев НИИ робототехники и процессов управления Южного федерального университета
  • В.В. Соловьев НИИ робототехники и процессов управления Южного федерального университета
Ключевые слова: Управление движением, безэкипажное судно, позиционирование, терминальное управление, обход препятствий, нечеткая логика, многорежимная система управления

Аннотация

Целью исследования является разработка алгоритмов управления безэкипажным судном, обеспечивающих движение в различных режимах в среде с препятствиями. Описа-на математическая модель судна на плоскости, базирующаяся на уравнениях движения твердого тела. Рассмотрены три режима: терминальное движение в заданную точку; позиционирование в заданной точке; обход препятствия Появляется задача обеспечить плавный переход от одного режима к другому. На основе метода позиционно-траекторного управления синтезирован базовый регулятор, реализующий заданные режи-мы движения. Предложено переход от одного режима движения к другому реализовать за счет изменения алгоритма расчета задающих воздействий. Это позволяет использовать один регулятор на исполнительном уровне, а переход от одного режима к другому осуще-ствлять на уровне планирования. В режиме терминального движения желаемая скорость вычисляется по заданному времени движения и расстоянию до желаемой точки. Предло-жен алгоритм расчета требуемой скорости в постановке «слабого» терминального управления. Это позволяет устранить сингулярность в целевой точке за счет введения методической погрешности достижения цели. В режиме позиционирования осуществля-ется переход к вычислению требуемой скорости на основании информации о расстоянии до желаемого положения судна. Предложенный алгоритм управления обеспечивает уменьшение скорости движения пропорционально расстоянию до цели. Для обхода препят-ствий в желаемый угол ориентации судна добавляется составляющая, генерируемая до-полнительным дифференциальным уравнением. Решение этого уравнения является устойчивым вдали от препятствия, и неустойчивым в некоторой заранее задаваемой области препятствия. Для сопряжения различных режимов движения используется формализм нечеткой логики, позволяющий сгладить переходные режимы и устранить сингулярность в терминальном законе управления. В работе доказана асимптотическая устойчивость же-лаемого положения равновесия многорежимной системы управления с нечеткой логикой. Приводятся результаты моделирования движения судна в различных режимах, демонст-рирующие преимущества предлагаемых алгоритмов. Экспериментальные исследования, проведенные на базе мини-катера, подтверждают физическую реализуемость и заявленные преимущества алгоритмов управления.

Литература

1. Klinger W.B., Bertaska I.R., Ellenrieder K.D., and Dhanak M.R. Control of an Unmanned Surface Vehicle With Uncertain Displacement and Drag // IEEE Journal of Oceanic Engineer-ing. – 2017. – Vol. 42 (2). – P 458-476.
2. Liu Z., Zhang Y., Yu X., Yuan C. Unmanned surface vehicles: An overview of developments and challenges // Annual Reviews in Control. – 2016. – Vol. 41. – P. 71-93.
3. Jin X. Fault tolerant finite-time leader-follower formation control for autonomous surface ves-sels with LOS range and angle constraints // Automatica. – 2016. – Vol. 68 (1). – P. 228-236.
4. Villa J.L., Paez J., Quintero C., Yime E., and Cabrera J. Design and control of an Unmanned Surface Vehicle for Environmental Monitoring Applications // 2016 IEEE Colombian Confer-ence on Robotics and Automation (CCRA). – P. 1-5.
5. Xiang, X., Yu, C., Lapierre, L., Zhang, J., Zhang, Q. Survey on Fuzzy-Logic-Based Guidance and Control of Marine Surface Vehicles and Underwater Vehicles // International Journal of Fuzzy Systems. – 2018. – Vol. 20 (2). – P. 572-586.
6. Wang N., Sun J.-C., Er M.J., Liu Y.-C. A Novel Extreme Learning Control Framework of Un-manned Surface Vehicles // IEEE Transactions on Cybernetics. – 2016. –Vol. 46 (5). – P. 1106-1117.
7. Zheng Z., Sun L. Path following control for marine surface vessel with uncertainties and input saturation // Neurocomputing. – 2016. – Vol. 177 (12). – P. 158-167.
8. Peng Z., Wang J., Wang D. Distributed Maneuvering of Autonomous Surface Vehicles Based on Neurodynamic Optimization and Fuzzy Approximation // IEEE Transactions on Control Systems Technology. – 2018. – Vol. 26 (3). – P. 1083-1090. 9. Костюков В.А., Маевский А.М., Гуренко Б.В. Математическая модель надводного мини-корабля // Инженерный вестник Дона. – 2015. – № 3. 10. Pshikhopov V., Medvedev M. Position-Path Control of a Vehicle // Path Planning for Vehicles Operating in Uncertain 2D Environments. – 2017. – P. 1-23. 11. Kokotović P., Arcak M. Constructive nonlinear control: A historical perspective // Automatica. – 2001. – Vol. 37 (5). –C. 637-662.
12. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Групповое управление движением мобильных роботов в неопределенной среде с использованием неустойчивых режимов // Труды СПИИРАН. – 2018. – Вып. 60. – C. 39-63. 13. Lee C.C. Fuzzy Logic in Control Systems: Fuzzy Logic Controller // IEEE Transactions on Sys-tems, Man and Cybernetics. – 1990. – Vol. 20 (2). – P. 404-418 (Part I). – P. 419-435 (Part II). 14. Фельдбаум А.А. О распределении корней характеристического уравнения системы регу-лирования // Автоматика и телемеханика. – 1948. – № 4. – С. 253-279.
15. Li B., Xu Y., Liu Ch., Fan Sh., Xu W. Terminal navigation and control for docking an underactuated autonomous underwater vehicle // IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation Control and Intelligent Systems. – 2015. – P. 25-30. 16. Shikai W., Hongzhang J., Lingwei M. Trajectory tracking for underactuated UUV using termi-nal sliding mode control // Chinese Control and Decision Conference. – 2016. – P. 6833-6837.
17. Londhe P.S., Dhadekar D.D., Patre B.M., Waghmare L.M. Non-singular terminal sliding mode control for robust trajectory tracking control of an autonomous underwater vehicle // Indian Control Conference. – 2017. – P. 443-449.
18. Кабанов С.А., Шалыгин А.С. Решение терминальной задачи управления движением лета-тельного аппарата с применением методов аналитической механики // Автоматика и те-лемеханика. – 1992. – № 8. – С. 39-45.
19. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В. Алгоритмы терминального управления подвижными объектами мультикоптерного типа // Мехатроника, автоматизация и управление. – 2019. –Т. 20, № 1. – С. 44-51. 20. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. – М.: ACT: Астрель, 2006. – 991 с.
21. Pshikhopov V., Medvedev M. Position control of vehicles with multi-contour adaptation // Journal of Engineering and Applied Sciences. – 2018. – Vol. 13. – P. 8921-8928.
22. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Сиротенко М.Ю., Носко О.Э., Юрченко А.С. Проекти-рование систем управления роботизированных воздухоплавательных комплексов на ба-зе дирижаблей // Известия ТРТУ. – 2006. – № 3 (58). – С. 160-167.
Опубликован
2019-05-08
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ II. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ