ИСТИНА

Исследование динамики, построение алгоритмов управления, компьютерное моделирование робототехнических систем

The goal of the project is to solve the fundamental problems arising in the development of mechatronic mobile systems oriented to autonomous operation in conditions of extremely complex environmental topography, and involves the creation of appropriate control methods and algorithms, their development by computer modeling, full-scale and full-scale prototyping. The project aims to develop methods for the synthesis of the movement of unmanned mobile robots (both walking, wheel-walking, and flying) in conditions where there are restrictions on the way of moving.

вторами разработан другой оригинальный метод переворота робота из аварийного положения в рабочее состояние с использованием динамических эффектов. Подобные эффекты возникают, когда робот, будучи в перевернутом положении, начинает без опоры ногами о грунт раскачивать корпус за счет специально сформированного движения ног, обеспечивающего увеличение амплитуды качаний. Очевидно, что в рассматриваемом случае простой периодический закон движения ног не приведет к успеху, так как период качаний корпуса будет зависеть от амплитуды. Показано, что автономное спасение шестиногой машины из аварийного положения «вверх ногами» возможно при помощи циклического движения ног, если корпус имеет верхнюю оболочку в виде усеченного цилиндра. В результате амплитуда качаний корпуса достигает такого значения, что корпус неизбежно переворачивается. Аналогичный прием раскачивания часто интуитивно используется любителями качаться на качелях. Предложен и обоснован метод целенаправленного раскачивания корпуса за счет синхронизированного движения ног, обеспечивающий требуемый переворот корпуса через назначенный борт и возвращение робота в рабочее положение с использованием специально синтезированного движения ног. Выполнено аналитическое исследование возможности достижения переворота в зависимости от параметров конструкции робота. С помощью программного комплекса «Универсальный механизм» осуществлено компьютерное моделирование полной динамики робота, подтвердившие эффективность разработанной методики для восстановления функциональной состоятельности робота. Результаты численных экспериментов и полученные соответствующие видеоматериалы, показали надежную практическую реализуемость разработанного метода. Сформирован видеоролик, иллюстрирующий процесс самостоятельного спасения робота и доступный на сайте ИПМ им. М.В. Келдыша РАН (URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2019-48). Выполнены аналитические исследования о целесообразном распределении нагрузки при опоре шагающей машины о шероховатые цилиндры, имитирующие навал бревен на шероховатой плоскости с учетом сухого трения и трения качения и с возможностью проскальзывания бревен относительно опорной плоскости и относительно друг друга. Показано, что равновесие системы однородных цилиндров, положенных один на другой под острым углом так, что один торец верхнего цилиндра опирается о землю, возможно лишь в случае параллельного или перпендикулярного расположения их осей. Для неоднородных цилиндров установлены соотношения параметров робота и характеристик сухого трения и трения качения, при выполнении которых обеспечивается надежная опора робота об элементы завала. Выявлена аналогия между динамикой многоногого робота при управлении положением корпуса и динамикой параллельных манипуляторов, которые являются основой кинематики для существующих и перспективных периферийных стыковочных механизмов КА. Процесс стыковки сопровождается короткопериодическими упругими колебаниями механизмов, что существенно затрудняет его компьютерное моделирование. Стыковочный механизм движется под действием сил и моментов, создаваемых устройствами и приводами, связанными с шарнирами периферийных кинематических цепей, а также под действием сил и моментов контактного взаимодействия со стыковочным кольцом агрегата, который установлен на пассивном космическом аппарате. Относительное положение и скорости активного аппарата в момент первого контакта являются случайными величинами, зависящими от хода его сближения. Отличительной чертой стыковочных механизмов является отсутствие сингулярности, то есть полная управляемость в каждой точке их конфигурационных пространств. Примененный в работе оригинальный вывод вычислительно эффективных уравнений движения параллельных манипуляторов, а также многоногих шагающих машин, зависит от кинематики разрабатываемых устройств и основан на известной идее о соответствующем преобразовании механической системы путем замещения отдельных шарниров уравнениями контурных связей и использовании рекуррентных кинематических соотношений. При этом число переменных относительного движения в шарнирах (шарнирных переменных) параллельных манипуляторов оказывается больше числа степеней их свободы, поэтому часть этих переменных выбирается в качестве независимых, остальные являются зависимыми. Выбор замещаемых шарниров и независимых переменных движения определяет вычислительную эффективность уравнений динамики для расчетов в реальном времени. В параллельных манипуляторах периферийные кинематические цепи соединяются с основанием и с управляемым телом вращательными шарнирами. Замещение шарниров на управляемом теле уменьшает связность механической системы и число тел в кинематических цепях преобразованной механической системы. Соответственно уменьшается и объем вычислений при расчете уравнений динамики. Выбор в качестве независимых реальных управляющих переменных, описывающих относительные перемещения вдоль линий действия внутренних активных сил или моментов периферийных кинематических цепей, приводит к необходимости итерационного решения прямой задачи кинематики параллельного манипулятора. Аналогично тому, как это делается для построения движения шагающих машин, в качестве независимых выбираются переменные, описывающие движение управляемого тела относительно основания. То есть предполагается, что в математической модели стыковочное кольцо – единственное тело независимой кинематической цепи, связанное с основанием механизма фиктивным 6-степенным шарниром, а все периферийные кинематические цепи и их шарнирные переменные являются зависимыми. Это не влияет на управляемость механизма, так как у него отсутствуют сингулярные конфигурации. Замещение шарниров, связывающих периферийные направляющие кинематические цепи с управляемым телом, и выбор переменных движения этого тела в качестве независимых не только увеличивает вычислительную эффективность уравнений динамики, но также упрощает составление и решение уравнений контурных связей. Представлены и численно опробованы алгоритмы расчета уравнений динамики параллельных манипуляторов в замкнутой форме. Они могут служить основой для разработки математических моделей существующих и перспективных периферийных стыковочных механизмов. Эти алгоритмы опубликованы на сайте ИПМ им. М.В. Келдыша РАН (URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2019-59). Они не содержат избыточных векторно-матричных операций, а при их записи в виде последовательности скалярных математических выражений возможна дальнейшая оптимизация вычислений. Для каждого конкретного механизма указанные формулы следует дополнить алгоритмами расчета внутренних активных сил и моментов, создаваемых его устройствами демпфирования и приводами. Например, разработана полная математическая модель динамики периферийного стыковочного механизма с рекуперацией энергии в пружинах и с управляемой блокировкой отдачи. Пружины частично сжимаются перед стыковкой устройством стягивания. Накопленная ими энергия освобождается при контакте стыковочных агрегатов и обеспечивает быстрое выдвижение механизма вперед для улучшения сцепки. После сцепки блокировка отдачи вновь включается, и пружины могут только сжиматься, накапливая энергию сближения активного космического аппарата. Сравнение результатов расчетов с результатами натурного эксперимента показало высокую предсказательную способность разработанных методов компьютерного моделирования. Сформирован видеоролик, иллюстрирующий процесс работы указанного механизма и представленный на сайте ИПМ им. М.В. Келдыша РАН (URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2019-76). Одним из вариантов соединения космических аппаратов на орбите является их стыковка с использованием шагающего космического манипулятора. Она выполняется в тех случаях, когда один из соединяемых аппаратов доставляется другим в виде полезного груза или, когда при соединении не используются стыковочные механизмы, которые могут обеспечить компенсацию промаха и поглощение энергии сближения. Манипулятор, закрепленный на одном из аппаратов и управляемый космонавтом-оператором, выполняет функции системы сближения, перемещает другой объект, создавая условия для образования первичной механической связи стыковочных интерфейсов, окончательное жесткое соединение которых выполняет отдельный механизм. В наземных условиях натурное моделирование процесса стыковки с использованием реального манипулятора нецелесообразно из-за невозможности корректной компенсации сил тяжести, действующих на него как на пространственную систему тел. Вместе с тем относительные перемещения стыковочных агрегатов в процессе их соединения невелики. Поэтому, если первичная механическая связь создается до совмещения их стыковочных плоскостей (до их жесткого контакта), то для наземной отработки может быть использовано гибридное моделирование причаливания на 6-степенном динамическом стенде, разработанном в РКК «Энергия». В этом случае агрегаты, средства визуального наблюдения и прицеливания, ручки управления манипулятором представлены реальными образцами, а пространственный упругий манипулятор заменяется математической моделью, уравнениями движения, интегрирование которых осуществляется в реальном времени. В ходе выполнения проекта выполнена адаптация уравнений движения манипулятора и средств обработки измерительной информации к перспективным космическим проектам. По результатам гибридного моделирования установлена адекватность программно-аппаратного комплекса реальному процессу причаливания, что позволяет ее использовать в качестве тренажера для космонавтов. Видеоматериал, иллюстрирующий процесс работы динамического стенда, доступен на сайте ИПМ им. М.В. Келдыша РАН (URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2019-117). Применен стайный подход к моделированию транспортных потоков. На основе этой схемы разработана система микромоделирования транспортных потоков города и шоссе, с возможностью исследования различных параметров дорог и транспортных потоков. Рассматривается следующая модель. Пусть автомобили движутся по полосам дороги. Новые автомобили генерируются случайно на каждой из входных полос (несколько прямых полос, а также боковые: правая и левая), с собственной желаемой скоростью движения и собственным желаемым выходным путем. Остальные параметры и признаки также выбраны индивидуально для каждого автомобиля-агента. Используется следующая стайная схема моделирования. «Поведение» каждого автомобиля-агента задается и описывается одним и тем же набором локальных правил, их логика одинакова для всех автомобилей-агентов. Вместе с тем все эти правила зависят от индивидуального набора параметров для каждого автомобиля-агента. Таким образом, моделируется различное поведение («характер») автомобилей и различный стиль их вождения, от «чрезвычайно тихого вождения» до «агрессивного вождения». В системе есть также общие правила, основанные на правилах дорожного движения. Автомобили-агенты не нарушают их. В целом при наличии большого числа агентов, проходящих через систему, возникают эммерджентные эффекты, состоящие в общем стайном поведении всего множества автомобилей от свободного движения до образования «пробок» на дорогах. Общая схема движения определяется правилами перестроения между рядами движения и логикой выбора текущей скорости движения. В остальном каждый агент выбирает свое движение независимо. На основании желаемого выходного пути, заданного для каждого автомобиля, в каждый момент времени определяется требуемая полоса движения. Пусть X – координата автомобиля вдоль полосы. Тогда перестроение разрешено, если на целевой полосе интервал ((X–A, X+B) свободен, где A и B – заданные константы. В случае невозможности перестроения автомобиль продолжает движение, замедляясь по мере необходимости, чтобы успеть перестроиться до критической точки. Во время маневра перестроения автомобиль считается занимающим две дорожные полосы, ограничивая скорость движения автомобилей сзади. Движение автомобиля вдоль полосы определяется значением скорости V. Значение скорости есть минимум из трех величин: собственной скорости (случайно выбираемой при генерации автомобиля); ограничением скорости из-за идущего впереди автомобиля; замедления автомобиля необходимого для перестроения в случае, если нужная ему полоса движения занята. Компьютерное моделирование выполнялось для моделей условных городских перекрестков и на примерах реальных московских дорог. Полученные результаты моделирования объясняют некоторые причины возникновения «пробок» на дорогах.

Разработан оригинальный метод автономного преодоления шестиногим роботом аварийной ситуации, которая может с большой вероятностью возникнуть из-за неожиданного падения робота. В результате непредвиденной случайности шагающий робот оказывается лежащим на спине в положении «вверх ногами». Подобного рода ситуации нередко встречаются в мире животных и особенно среди насекомых и рептилий, у которых имеется широкий твердый корпус (жуки или черепахи), и все они в процессе эволюции научились преодолевать подобные затруднения. Авторами разработан другой оригинальный метод переворота робота из аварийного положения в рабочее состояние с использованием динамических эффектов. Очевидно, что в рассматриваемом случае простой периодический закон движения ног не приведет к успеху, так как период качаний корпуса будет зависеть от амплитуды. В результате амплитуда качаний корпуса достигает такого значения, что корпус неизбежно переворачивается. Аналогичный прием раскачивания часто интуитивно используется любителями качаться на качелях. Предложен и обоснован метод целенаправленного раскачивания корпуса за счет синхронизированного движения ног, обеспечивающий требуемый переворот корпуса через назначенный борт и возвращение робота в рабочее положение с использованием специально синтезированного движения ног. Выполнено аналитическое исследование возможности достижения переворота в зависимости от параметров конструкции робота. С помощью программного комплекса «Универсальный механизм» осуществлено компьютерное моделирование полной динамики робота, подтвердившие эффективность разработанной методики для восстановления функциональной состоятельности робота. Результаты численных экспериментов и полученные соответствующие видеоматериалы, показали надежную практическую реализуемость разработанного метода. Сформирован видеоролик, иллюстрирующий процесс самостоятельного спасения робота и доступный на сайте ИПМ им. М.В. Келдыша РАН (URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2019-48).

Выполнен начальный этап работы по созданию физической модели четырехногого колесно-шагающего робота с антропоморфными ногами, преодолевающего препятствия под управлением нейронной сети, настроенной с помощью методов глубокого обучения. Разработан натурный макет аппарата с двадцатью двумя степенями свободы. В программном комплексе "универсальный механизм" с целью обучения нейронной сети создана компьютерная модель динамики робота с учетом параметризации движения ног на одном шаге и требованием выполнения необходимых условий равновесия. Выход компьютерной модели использовался в качестве входных данных для обучения нейронной сети управлению ходьбой. Модель нейронной сети была взята из пакета программ «Wolfram Mathematica». Для глубокого обучения с подкреплением применяется критерий оценки работы сети, основанный на алгоритмах Q-learning. Представлены основные результаты моделирования движения четырехногого колесно-шагающего робота с нейросетевым синтезом управления. После 7430 итераций процесса обучения компьютерная модель робота сумела успешно преодолеть препятствие в виде ступеньки, высота которой составляла половину голени. На следующем этапе будет выполнено сравнение результатов моделирования и экспериментальной проверки для подтверждения результатов компьютерного эксперимента.