Методы, алгоритмы и программные средства моделирования управляемых механических систем в условиях неполной информации о внешней среде

• Автор: Горитов, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 411 с. : ил.

1.1 Управляемая механическая система как объект исследования

1.2 Методы представления геометрии управляемых механических систем

1.3 Методы исследования кинематики и динамики.

1.4 Структурный синтез управляемых механических систем

1.5 Синтез законов управления УМС.

1.6 Разработка программных систем автоматизированного моделирования

1.7 Пакеты прикладных программ моделирования механических устройств

1.8 Цель и задачи исследования

Основные выводы по главе

Глава 2 Структурный синтез и математическое моделирование управляемых механических систем на основе метода компонентных цепей.

2.1 Формализованное представление управляемой механической системы и внешней среды.

2.1.1 Пространство функционирования.
2.1.2 Формализованное представление управляемых механических систем компонентной цепью
2.2 Синтез и анализ управляемых механических систем
2.2.1 Постановка задачи
2.2.2 Анализ задачи
2.2.3 Экспертная система синтеза УМС.
2.2.4 Алгоритм структурного синтеза
2.2.5 Метод поэтапного синтеза.
Основные выводы по главе 2.
Глава 3 Параметрический синтез управляемых механических систем на основе математического моделирования методом компонентных цепей
3.1 Постановка задачи синтеза параметров управляемой механической системы
3.2 Синтез параметров звеньев УМС
3.3 Планирование траектории перемещения исполнительного звена управляемой механической системы.
3.3.1 Постановка задачи
3.3.2 Планирование траектории перемещения УМС в произвольной внешней среде
3.3.3 Построение плана траектории рабочего инструмента УМС на основе оценочных функций.
3.3.4 Исследование коэффициента целенаправленности оценочной функции на основе численных экспериментов
3.3.5 Имитационное моделирование построения траектории перемещения рабочего инструмента УМС.
3.3.6 Построение функций управления приводами манипулятора
Основные выводы по главе 3.
Глава 4 Модели и алгоритмы параметрического анализа управляемых
механических систем
4.1 Расчет геометрических характеристик управляемых механических систем.
4.1.1 Постановка задачи
4.1.2 Алгоритмы автоматического построения и анализа геометрической цепи.
4.1.3 Модели компонентов и узлов геометрической цепи.
4.1.4 Организация вычислений при проверке на геометрическое противоречие.
4.1.5 Применение геометрического анализа.
4.1.6 Решение задач геометрии для замкнутых цепей
4.2 Расчет кинематических характеристик управляемых механических систем
4.2.1 Компонентная кинематическая цепь
4.2.2 Методы и алгоритмы кинематического анализа
4.2.3 Модели компонентов и узлов кинематической цепи
4.3 Расчет динамических характеристик управляемых механических систем
4.3.1 Компонентная динамическая цепь
4.3.2 Методы и алгоритмы динамического анализа
4.3.3 Модели компонентов и узлов динамической цепи
4.4 Моделирование системы управления УМС
Основные выводы по главе 4
Глава 5 Система автоматизированного моделирования и проектирования управляемых механических систем.
5.1 Назначение и возможности системы автоматизированного моделирования и проектирования
5.2 Архитектура системы моделирования и проектирования
5.3 Основные блоки системы моделирования и проектирования.
5.3.1 Информационнопоисковая подсистема
5.3.2 Модуль графического редактора.
5.3.3 Модуль визуализации.
5.3.4 Сопряжение системы моделирования и проектирования с внешними системами.
5.4 Программная организация модели компонента.
5.5 Библиотека моделей компонентов
5.6 Применение системы автоматизированного моделирования при
решении задач.
Основные выводы по главе
Заключение
Литература


Задача тактического уровня управления считается решенной после того, как построен план траектории и сформированы законы управления приводами. Построение плана траектории перемещения исполнительного звена УМС выполняется в соответствии с информацией, полученной со стратегического уровня управления. Решение этой подзадачи выполняется с учетом особенностей исполнительного механизма и внешней среды. К особенностям внешней среды относится наличие на ней препятствий. Решение этой задачи в каждом случае выполняется своим набором алгоритмов, учитывающих особенности внешней среды. Задача построения плана траектории будет решена после аппроксимации дискретного плана траектории. Для аппроксимации используются интерполяционные полиномы или сплайны 0. Для интерполирования желательно использовать полиномы низкой степени. Это условие обеспечивается разбиением траектории движения на несколько участков и интерполяцией для каждого из этих участков своим полиномом низкой степени. Рис. На исполнительном уровне управления формируются команды управления каждым приводом манипулятора, обеспечивающие перемещение исполнительного звена УМС из начального состояния в целевую точку по спланированной траектории. Данная задача является завершающей в задаче синтеза законов управления УМС и, как правило, выполняется после выполнения геометрического, кинематического и динамического анализа спланированной траектории перемещения исполнительного звена УМС. Восприятие результатов работы любой программы значительно повышается, если они представлены в графическом виде. Большое значение визуализация имеет в робототехнике, как средство отображения на экране монитора процессов, протекающих в исследуемом объекте и его внешнем пространстве. Один из возможных вариантов декомпозиции задачи визуализации приведен на рис. Визуальное представление результатов вычислений включает в себя визуализацию плана траектории, функций управления и команд управления. Визуализация плана траектории предполагает визуализацию управляемого механизма и его внешнего пространства. При визуализации внешней среды отображаются точки столкновений, кинематические параметры, траектория перемещения рабочего инструмента управляемого механизма. Отображение траектории, скорости и ускорения перемещения центра масс деталей во внешнем пространстве, а также управляющих функций приводами манипулятора удобно представлять в виде графиков. Визуальное представление трехмерной внешней среды должно обеспечивать различные режимы визуализации каркасное представление с сохранением всех линий, каркасное представление с удалением невидимых линий без закраски граней, удаление невидимых линий с закраской и бесконечно удаленным источником света. В режиме просмотра обеспечивается как непрерывный, так и покадровый режим вывода изображения на экран монитора. Развитие математических методов компьютерной графики дает разработчикам большой выбор алгоритмов построения реалистических изображений моделируемых рабочих сцен и протекающих в них процессов 4. Реалистическое изображение моделируемых рабочих сцен можно получить, воспользовавшись алгоритмами Гуро, Фонга или трассировки лучей. В настоящее время для программирования трехмерной графики широко используется библиотека , которая предоставляет программисту большой набор функций для построения реалистических изображений 8. Проектирование УМС требует решения широкого круга задач. Как правило, трудно найти одну программу или систему, обеспечивающую решение всех задач, стоящих перед разработчиком. Выходом из такой ситуации является разработка интерфейса, обеспечивающего обмен информацией с другими системами моделирования и проектирования. Для обмена графической информацией между различными системами используются форматы различных структур и типов. Эти форматы используют векторное представление графической информации, т. Наиболее распространенными векторными форматами являются X i X формат обмена чертежами , i чертежи , символьный формат , I Ii i x iii международная спецификация обмена графическими данными.