Навигаторы новых технологий

Участники конференции в Суздале взглянули в глаза робота и прочитали его мысли

III всероссийская научно-техническая конференция "Навигация-2017" стала заметным событием в научной жизни страны. Об этом говорят круг поднятых проблем, состав участников, уровень докладов, отклики в СМИ. Обсуждались перспективы развития систем навигации и топопривязки, управления движением. Некоторые сообщения не были рассчитаны на широкую аудиторию, но из песни, как говорится, слова не выкинешь.

Узкие места и ходовые алгоритмы

Применение дистанционно управляемых мобильных наземных роботов ограничивает возможности их использования длиной кабеля или зонами прохождения радиосигнала. Решение задачи автономного движения позволило бы существенно расширить возможные области применения.

Основная проблема – установление местоположения робота. Существующие навигационные системы позволяют с достаточной точностью определять их нахождение на открытой местности (спутниковые навигационные системы), в населенных пунктах, зданиях (одометрические и инерциальные системы). Однако данных, полученных таким образом, может быть недостаточно для проезда по узким коридорам и улицам.

Наличие на борту телевизионной системы в принципе позволяет задать позиционирование относительно окружающих предметов с достаточно высокой точностью. В настоящее время используются два принципиально разных подхода: геометрический и семантический. При первом – на изображении выделяются характерные точки, относительно которых и производится позиционирование. Во втором – наблюдаемые объекты распознаются с определением их положения и границ. Очевидно, что такой подход существенно сложнее в реализации, но обладает значительно большими возможностями для автономного управления.

Движение может происходить в детерминированной и недетерминированной средах. В первом случае до его начала прокладывается маршрут, исключающий столкновение с местными предметами (по коридорам, улицам, дорогам и т. д.). Во втором он строится в процессе движения.

Рассмотрим возможность создания условий позиционирования на основе телевизионной системы робота с использованием геометрического подхода. Будем считать, что он движется в плоскости горизонта.

На рисунках показаны исходные и обработанные совокупностью фильтра Собела и медианного фильтра изображения коридора и улицы с перекрестком. Как видим, на них достаточно вертикальных линий (по сути меток на плоскости), позволяющих осуществить позиционирование робота. Очевидно, программная траектория движения должна располагаться на некотором безопасном расстоянии от стен и проходить вдоль них. Ее можно задать в обобщенных координатах, однозначно определяющих положение его при движении.

Результаты моделирования показывают, что построенная траектория после проезда мерного участка существенно отличается от программной. Необходимо введение корректирующей величины.

По результатам моделирования можно сделать вывод о возможности построения визуальной системы позиционирования робота при движении по коридорам и узким улицам по алгоритмам, обеспечивающим заданное расстояние от стен или обочины и исключающим столкновение или сваливание. Выбор коэффициентов обратной связи регулятора для реального робота будет определяться его динамическими характеристиками.

Данный алгоритм обладает достаточной простотой, чтобы решаться в управляющей системе мобильного робота. При известных координатах перекрестков такой метод позиционирования используется и для коррекции одометрической навигационной системы.

Ответ на законное возмущение

Одной из основных проблем теории автоматического управления динамическими объектами является решение данной задачи в условиях априорной неопределенности параметров их математических моделей. В этом случае проектируемая система управления (САУ) должна обеспечивать слежение за эталонным сигналом с заданной точностью.

Выделяются два основных принципа построения САУ, позволяющих выполнить условия при наличии внешних возмущений. Первый состоит в выборе структуры системы и параметров управляющего устройства таким образом, чтобы обеспечить полную или частичную нечувствительность к нежелательным внутренним и внешним воздействиям. Второй основан на динамической компенсации возмущений, при котором подавление их влияния осуществляется с помощью сформированного соответствующим образом управляющего воздействия.

Существуют следующие основные классы технологических объектов траекторного типа и задачи управления ими:

1. Робототехнические системы. А именно: производственные роботы, реализующие основные технологические операции, такие как сварка, гибка, окраска, сборка, резка и т. д.; вспомогательные (подъемно-транспортные) манипуляторы; универсальные роботы. Задача управления данными объектами, как правило, состоит в поддержании точности отработки программной траектории движения с обеспечением требуемого вектора усилий. При этом необходимо парировать неопределенные внешние возмущения.

2. Промышленные станки с развязанными по управлению координатными приводами.

3. Автономные транспортные системы.

4. Специализированные мобильные робототехнические комплексы.

В последнем случае объединены мобильный и технологический роботы. Управление такими объектами состоит из двух последовательно соединенных взаимосвязанных подсистем, работающих в условиях возмущения со стороны внешней среды. При этом первая подсистема управления (мобильным роботом) формирует воздействия, подлежащие парированию и стабилизации. Координатные колебания корпуса являются управляющими и порождающими возмущающие воздействия для второй подсистемы управления (технологическим манипулятором).

Реализация модифицированной формы инвариантности с использованием методов самонастройки исключает необходимость определения производных от возмущающего воздействия. Формирование корректирующих поправок для закона управления выполняется методом последовательных приближений в функции ошибки, пропорциональной дополнительному неопределенному возмущению. Рассматриваемый метод динамической коррекции можно назвать комплементарным.

Выделяются два способа реализации дополнительного управления. Первый подразумевает введение автономной дополнительной составляющей. Второй состоит в коррекции задающего воздействия на стадии его формирования в устройстве.

Вне зависимости от способа разложения заданной геометрической траектории на управляющие функции (независимые или параметрические) одна из координат может рассматриваться как аргумент, а другая как его функция. Это дает возможность формирования дополнительных составляющих в различных вариантах:

• в каждом канале;
• введение дополнительной составляющей в канале координаты-функции (координата-аргумент без изменения);
• выделение дополнительного возмущения в одном канале и введение дополнительного управления в другом (перекрестная коррекция).

Согласно проведенным исследованиям оба метода обладают примерно одинаковыми точностными показателями, но коррекция, выполняемая на программном уровне и не затрагивающая свойств внутреннего контура системы, предпочтительнее.

Работа представленных алгоритмов рассматривалась на примере двух классов систем траекторного типа: технологического манипулятора и автономного мобильного робота. И в том, и в другом случае в качестве дополнительного неопределенного возмущения принималось отклонение фактической траектории от заданной.

В итоге можно сделать следующие выводы:

1. В системах автоматического управления траекторными перемещениями технологических объектов возмущение может быть компенсировано четвертой модифицированной формой инвариантности.

2. Это условие четвертой целесообразно реализовать методами самонастройки, исключающими необходимость получения производных от возмущающего воздействия.

3. Результаты исследования работы контура коррекции на примере технологического манипулятора и мобильного робота подтверждают целесообразность и высокую эффективность его применения в системах траекторного типа.

Верные шаги в открытом космосе

В БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова и АО "ИСС" им. академика М. Ф. Решетнева, которое определено головной организацией в РФ по разработке спутников для системы ГЛОНАСС, ведется совместная работа по созданию многостепенных механизмов с параллельной кинематикой для обеспечения точного позиционирования и стабилизации бортовых приборов и устройств космического назначения.

В частности, требуется обеспечить наведение приемопередающих антенн относительно спутника с погрешностью в единицы микрон по трем линейным координатам, а также угловое наведение с погрешностью в несколько угловых секунд. После завершения процессов наведения задать длительное жесткое позиционирование антенн в заданном положении.

В настоящее время механизмы с параллельной структурой используются в различных областях: подвижные симуляторы и параллельные манипуляторы, микро- и наноманипуляторы. Такие механизмы имеют множество конструктивных вариантов – от широко известной платформы Стюарта до разнообразных конструкций специальных роботов с упругими элементами.

Объектом исследования является цифровая система управления механизмом с параллельной кинематикой для применения в бортовых приборах наведения и ориентации космической техники (гексапод) на основе шести линейных приводов с шаговыми двигателями.

Гексапод, реализованный по схеме платформы Стюарта, состоит из неподвижного основания и подвижной платформы, которые механически связаны посредством шести идентичных звеньев – ног (штанг, стоек). Каждая выполняет функцию линейного привода и выполнена из двух полуштанг, соединяемых шарнирами с основанием и платформой. Шаговый двигатель в каждой ноге формирует линейное перемещение одной полуштанги относительно другой. Оно реализуется за счет механической передачи "редуктор – винт – гайка" в конструкции ноги, преобразующей вращение вала шагового двигателя в поступательное движение полуштанги.

В настоящее время на базе научно-исследовательской лаборатории робототехнических и мехатронных систем БГТУ "ВОЕНМЕХ" создан блок управления гексаподом (БУГ). Он состоит из двух каналов. В состав каждого входят следующие модули и элементы, электрически объединяемые жгутом и кросс-платой: преобразователь сигналов датчиков системы измерения положения платформы, преобразователь сигналов датчиков углового положения, контроллер, усилитель, вторичный источник питания, элементы обеспечения теплового режима.

Эскиз гексаподаВ экспериментальных образцах системы управления гексаподом предусматривается определение положения платформы с помощью учета информации от датчиков:

• измерения положения платформы ("пространственных");
• углового положения вала электродвигателя линейного механизма;
• температуры, распределенных по линейному приводу и платформам гексапода.

Все сигналы, предназначенные для внешней коммутации, выводятся на разъемы, устанавливаемые в корпусе БУГ.

Основной задачей является отработка задающих воздействий в позиционном режиме с точностью по декартовым координатам платформы относительно основания ±10 мкм, по угловым – ±30 угл. сек. Для удовлетворения столь жестких требований необходимо:

• получить оценку решения задач кинематики в реальном времени;
• выработать рекомендации к применению рассмотренных алгоритмов;
• изучить их реализуемость на отечественной элементной базе.

Решение поставленных задач – основная цель настоящего исследования.

Анализ показал, что скорость решения обратной задачи кинематики существенно зависит от размера выбранного стека. Так, например, при значении 200 байт время расчета обратной задачи кинематики увеличивается до четырех раз. При решении остальных задач увеличение стека до предельно допустимого значения не влияет на скорость исполнения.

При создании алгоритмов управления на основе решения обратной задачи кинематики период дискретизации может быть менее 1 мс, что обеспечит сравнительно высокие скоростные свойства проектируемому изделию, а также возможность реализации контурного (траекторного) режима управления гексаподом.

В будущем планируется развитие алгоритмического и программного обеспечения в направлении планирования траекторий, построения комплексной системы управления линейными шаговыми приводами и ориентацией гексапода, создания адаптивного оборудования для работы в открытом космосе.

Участники III всероссийской научно-технической конференции "Навигация-2017" в Суздале.
Источник: vpk-news.ru

Синхронизация с новыми вызовами

В АО "ВНИИ "Сигнал" разработаны и серийно выпускаются синхронные двигатели семейства СДМ с возбуждением постоянными редкоземельными высококоэрцитивными магнитами на роторе. Они имеют хорошие массогабаритные показатели, значительный ресурс, стойкость к внешним факторам, высокий КПД.

Определяющим фактором являлось наличие силового редуктора организации-заказчика на объекте управления для передачи момента от вала двигателя к нагрузке. Разработчики исходили из известного в теории электрических машин положения об обратной зависимости их габаритов и скорости вращения ротора. Она ограничена допустимой скоростью вращения подшипников, прочностью механической конструкции, электрическими характеристиками. С учетом указанных ограничений и передаточных отношений силовых редукторов двигатели семейства СДМ имеют максимальную скорость вращения ротора 5500 об/мин.

Наличие силовой механической передачи значительно ухудшает характеристики привода на базе СДМ как по точности, так и по плавности хода. Присутствующий в ней "мертвый ход" приводит к ударным нагрузкам на зубья редуктора в момент начала движения и особенно при реверсе во время отработки входного воздействия, что может привести к возникновению деформаций, снижению прочности и в результате – к поломке. Наличие этих и других недостатков вынуждает разработчика снижать динамические и в конечном итоге точностные характеристики привода при настройке.

Разработка, изготовление и обслуживание редуктора требуют значительных материальных затрат. Как промежуточное механическое звено он снижает КПД приводной системы в целом (типовой КПД цилиндрической многоступенчатой передачи составляет 0,85–0,9).

Практика и анализ циклограмм работы приводов специального назначения (на зенитных ракетных комплексах и антенных системах) показывают, что они используют преимущественно низкие, близкие к ползучим скорости движения (режим слежения). Для обеспечения плавности в таком режиме и одновременно сохранения динамики отработки скачкообразных воздействий требуется принятие дополнительных мер, таких как установка датчика скорости на вал нагрузки или введение идентификатора механической передачи, что усложняет настройку и снижает надежность устройства.

Альтернативой видится использование безредукторных высокомоментных синхронных двигателей с постоянными магнитами на роторе. Конструктивно они выполняются в виде кольца с внешним или внутренним ротором либо поворотных столов. Наличие большого числа пар полюсов позволяет развивать значительный момент при малой скорости вращения. Большое центральное отверстие упрощает конструкцию контактных соединителей и для устройств с ограниченным углом поворота нагрузки делает возможным ввод кабелей напрямую "сквозь" двигатель.

В зависимости от схемы соединения обмоток полюсов (последовательно, параллельно, смешанно) можно получить типы двигателей, работающие как при небольших токах и высоком напряжении, так и при значительных токах и низких напряжениях. Последнее обстоятельство позволяет создавать безредукторные приводы наведения и стабилизации вооружения бронетанковой техники, работающие непосредственно от бортовой сети без повышающего конвертора, что уменьшает габариты и увеличивает КПД системы в целом.

Имеющиеся в настоящее время высокомоментные двигатели отечественного и иностранного производства позволяют развивать момент порядка нескольких десятков кН•м при скоростях вращения до 200 об/мин. При этом КПД в номинальном режиме приближается к 90 процентам.

При очевидных достоинствах безредукторного высокомоментного электропривода необходимо решить ряд трудоемких проблем. Развитие приводов переменного тока для изделий спецтехники на основе высокооборотных двигателей с редуктором, вероятно, подошло к некоторой границе. Переход через нее сложен из-за присущих механическому редуктору ограничений. Высокомоментный безредукторный электропривод при условии совершенствования конструкции серийных образцов для их адаптации к жестким условиям эксплуатации может обеспечить качественный скачок в улучшении характеристик.

Рекомендуется сделать упор не столько на наличие конструкции конкретного двигателя, сколько на обладание методиками проектирования их под конкретный конструктив объекта ("встраивание в изделие") и анализ результата разработки специализированным прикладным программным обеспечением.

Проверка зрения на шахматной доске

Одна из важных задач системы технического зрения – определение расстояния до объектов, окружающих мобильную систему. Существует ряд сенсоров, позволяющих ее решать: радары, лидары (лазерные локаторы), сонары (ультразвуковые сенсоры). Но все они имеют свои недостатки:

• для радара – высокая стоимость, необходимость излучения волны 1 мм, недискретная механическая развертка;
• для лидара – невозможность вычислять плотное облако точек;
• зона чувствительности ультразвукового сенсора сильно зависит от материала объектов и погодных условий.

Главный же недостаток в том, что все эти сенсоры активны. Их работу легко обнаружить: источник излучения всегда является потенциальной легко поражаемой целью. Наконец, они потребляют недопустимо много электроэнергии.

В отличие от активных сенсоров стереозрение – пассивная система, которая обеспечивает восприятие формы, размеров и расстояния до предмета, получение информации о глубине изображения, построение трехмерной картины окружающей местности. Для определения расстояния система должна состоять минимум из двух синхронных оптических сенсоров (может быть, и более).

В робототехнике стереозрение используется для оценки расстояний до окружающих объектов, что дает возможность управления движением безэкипажных машин и беспилотных летательных аппаратов.

Однако применение стереозрения при определении расстояний также ограничено рядом факторов, в частности погрешностью, которая зависит от параметров системы. Несмотря на недостатки, система имеет низкую стоимость по сравнению с активными сенсорами, потребляет меньше энергии и за одно измерение позволяет получить больше информации.

Упрощения вычислений можно достичь предварительной калибровкой системы и последующей ректификацией каждой стереопары. Процедура ректификации приводит изображения к эпиполярным (в которых соответствующие пиксели имеют одно и то же значение координаты). Калибровка, как правило, производится по некоторому образцу, например шахматной доске.

Значительные ошибки при определении парных точек происходят на "плохо" текстурированных областях изображений, к которым можно отнести однородные, с периодически повторяющимися элементами. Отсутствие текстуры, а точнее, монотонность, изменение яркости пикселей также порождают существенные ошибки.

Для получения корректного результата к работе сенсоров стереосистемы предъявляется ряд требований: синхронизация по времени, фокусных расстояний, баланса белого, апертуры и выдержки. Ошибки вычислений в карте глубины устраняются постфильтрацией с использованием различных фильтров шумоподавления или информации о распределении яркости пикселей на исходных изображениях. В результате могут быть потеряны мелкие объекты. По данным карты глубины вычисляется плотное облако точек, которое сшивается с полученными на предыдущих шагах вычислениями.

Существенный вклад в минимизацию погрешности вносят уменьшение угла зрения камеры, увеличение разрешения кадра по горизонтали и базы зрения.

"Торы" с "осиным" приводом

Отношения АО "ВНИИ "Сигнал" и ижевского электромеханического завода "Купол" уходят корнями в далекие 60-е, когда разворачивалось серийное производство ЗРК "Оса", а затем "Тор".

В начале 60-х ВНИИ "Сигнал" была поручена разработка системы стабилизации антенного поста ракетного радиолокационного комплекса "Оса". Включавший антенны поиска, сопровождения цели и наведения, он вначале разрабатывался как унифицированный для сухопутного и морского комплекса. Позже идеология использования первого изменилась (пуски с коротких остановок) и вместо стабилизации антенного поста потребовалась стабилизация только поисковой антенны. Такой вариант оказался с точки зрения точности наиболее сложным. Проблема заключалась в том, что поисковая антенна как объект стабилизации обладала относительно малым моментом инерции и большими возмущающими воздействиями.

Опыт ЦНИИ АГ по созданию танковых стабилизаторов (например "Циклон") не мог быть заимствован, так как уравновешенная, с большим моментом инерции танковая пушка в отличие от поисковой антенны обладает эффектом самостабилизации. В большей степени пригодился собственный опыт, приобретенный при разработке антенного устройства комплекса "Байкал".

В результате была создана система непосредственной стабилизации антенного поста (9В611) и поисковой антенны (9В611Б), в которых применены объемные гидравлические привода № 0.5 2-й гаммы (разработчик ЦНИИ АГ). Механизм управления для них типа "сопло – заслонка – золотник" был разработан во ВНИИ "Сигнал".

При отработке структуры и коррекции приводов стабилизатора 9В611Б разработчики столкнулись с рядом проблем. Моментный привод (аналогичный приводам танковых пушек) из-за малого момента инерции антенны не обеспечивал необходимой жесткости в частотном диапазоне внешних коротких воздействий. А скоростной привод не компенсировал ошибку стабилизации в движении.

Проблема была решена путем применения гибкой отрицательной обратной связи по разности давлений в силовых полостях исполнительных цилиндров с одновременным расширением полосы пропускания привода с помощью широкополосного дифференциатора в прямой цепи (решение защищено авторскими свидетельствами).

Стабилизаторы типа 9В611 были первыми разработками ВНИИ "Сигнал", внедренными в серийное производство. Результаты и опыт разработки изделия 9В611Б "Оса" в значительной степени использованы при создании системы стабилизации антенны РЛС обнаружения целей (система 1Г36) автономного ЗРК "Тор", проектирование которой было поручено ВНИИ "Сигнал" в 1975 году.

В отличие от изделия 9В611Б в системе 1Г36 по обоим каналам стабилизации в качестве исполнительных двигателей использовались силовые гидроцилиндры, а также применен компактный датчик крена собственной разработки, представляющий собой трехстепенной гироскоп с вертикальным расположением оси кинетического момента.

Преобразовательная аппаратура системы была выполнена с использованием интегральных операционных усилителей и транзисторов, что позволило существенно уменьшить габариты и повысить надежность.

ЗРК "Тор" в различных модификациях до настоящего времени поставляется во многие страны мира.

Сегодня приводная техника, разрабатываемая в АО "ВНИИ "Сигнал", строится на современной элементной базе с использованием прогрессивных технологий, эффективных алгоритмов управления. Одним из таких изделий является привод наведения и стабилизации инерционного объекта с цифровым векторным управлением. Он обладает широким диапазоном регулирования скорости, высоким быстродействием, надежностью и долговечностью. В настоящее время прорабатывается возможность его использования для стабилизации антенного поста в морском варианте изделия "Тор".

Локомотив новых технологий

Всероссийская научно-техническая конференция "Навигация-2017" проводилась под эгидой Министерства обороны России, ГУ "РАРАН", администрации и Законодательного собрания Владимирской области. Непосредственным организатором выступило АО "ВНИИ "Сигнал".

Уровень и организация мероприятия, поставленные на нем злободневные вопросы оборонного характера говорят о том, что руководство страны, Вооруженных Сил и ОПК придает этим вопросам самое серьезное значение. Как и внедрению в производство передовых достижений науки и техники, продвижению на внутренний рынок лучших образцов ВВСТ в области навигации и топопривязки, систем ориентирования, роботизации, технического зрения. То есть тех изделий, которые сегодня наиболее востребованы в армии и на флоте, наилучшим образом показали себя в условиях боевых действий в Сирии.

На конференции были поставлены задачи поиска новых методов в создании передовых технологий, проведен сравнительный анализ их с ТТХ лучших иностранных образцов ВВСТ.

Россия – самодостаточная страна, у нее есть ресурсы и прекрасные ученые, инженеры, конструкторы. Никакие западные санкции не отлучат их от любимого дела. Надо только не мешать им, не заставлять делать, как в лихие 90-е, кастрюли и поварешки. Тогда оборонно-промышленный комплекс, где сосредоточены самые передовые технологии и конструкторские решения, как локомотив потянет за собой всю промышленность страны. Не зря конференция наряду с другими решениями рекомендовала руководителям предприятий предметно заняться подготовкой молодых кадров.

Все это вселяет оптимизм, надежду на то, что следующий подобный форум в 2019 году откроет новые таланты, предложит решения научно-технических, оборонных задач.

Владимир Моисеенко, кандидат технических наук, ОАО "СКБ ПА" (Ковров)

Анастасия Лекарева, ФГБОУ ВО "ВлГУ им. А. Г. Столетовых" (Владимир)

Николай Яковенко, БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова

Павел Воротнев, АО "ВНИИ "Сигнал" (Ковров)

Евгений Муратов, кандидат технических наук, ФГБОУ "РГРТУ" (Рязань)

Олег Куликов, кандидат технических наук, АО "ВНИИ "Сигнал" (Ковров)

Подготовил Олег Фаличев

Опубликовано в газете "Военно-промышленный курьер" в выпуске № 48 (712) за 13 декабря 2017 года