Подсистема расчета и визуализации характеристик качества систем управления для программного комплекса моделирования двухзвенных манипуляционных роботов

Оглавление

Список терминов и сокращений. 6

Введение. 8

1. Обзор и анализ функционала и. 10

возможностей предыдущей версии. 10

программного комплекса, изучение. 10

аналогичных работ в данной области. 10

разработки. 10

2. Разработка методов и алгоритмов. 14

построения рабочих областей. 14

манипуляционных роботов для. 14

программного комплекса для решения. 14

задач расчета и визуализации. 14

характеристик качества систем. 14

управления для программного комплекса. 14

моделирования двухзвенных. 14

манипуляционных роботов. 14

2.1 Анализ современных подходов к моделированию двухзвенных манипуляционных роботов. 14

2.2 Исследование методов управления роботами-манипуляторами. 17

2.3 Обзор существующих программных комплексов для моделирования манипуляторов и их функциональности. 21

2.4 Особенности применения регуляторов в управлении робототехническими системами. 24

2.5 Современные методы визуализации динамических процессов в системах управления. 26

2.6 Описание работы двухзвенного манипуляционного робота. 30

2.7 Разработка математической модели динамики двухзвенного манипулятора. 35

2.8 Алгоритм ПИД-регулирования и его применение для управления роботом. 38

2.9 Характеристики качества систем управления. 42

2.10 Методы численного интегрирования для решения дифференциальных уравнений. 44

3. Программная реализация структуры.. 48

подсистемы программного комплекса для. 48

решения задач расчета и визуализации. 48

характеристик качества систем. 48

управления для программного комплекса. 48

моделирования двухзвенных. 48

манипуляционных роботов. 48

4. Разработка инструмента и методов и. 57

алгоритмов создания конфигурации. 57

заданного робота и визуализации. 57

траектории движения в зависимости от. 57

циклограммы траектории движения с. 57

учетом всех варьируемых параметров. 57

5. Разработка методов и алгоритмов. 61

решения задач визуализации. 61

характеристик качества систем. 61

управления подсистемы программного. 61

комплекса. 61

5.1 Реализация программного модуля для моделирования динамики двухзвенного манипулятора. 61

5.2 Создание алгоритма ПИД-регулирования с возможностью настройки параметров. 64

6. Проведение экспериментальных. 66

исследований подсистемы программного. 66

комплекса, проверка на наличие ошибок и. 66

качества моделирования. 66

6.1 Тестирование системы на различных входных сигналах. 66

6.2 Визуализация результатов моделирования: графики траекторий движения звеньев, ошибок управления и управляющих сигналов. 75

6.3 Анализ влияния параметров ПИД-регулятора на характеристики качества системы управления. 78

7. Оценка экономической эффективности разработанной системы. 85

7.1 Определение количества исполнителей. 87

7.2 Определение длительности и трудоемкости этапов. 87

7.3 Расчет затрат на разработку проекта (капитальные вложения) 88

7.4 Расчет затрат на оборудование. 89

7.5 Расчет затрат на электроэнергию.. 90

7.6 Расчет накладных расходов и подведение итогов. 91

7.7 Экономический эффект от внедрения. 92

7.8 Заключение по организационно-экономической части. 96

Заключение. 97

Список использованных источников. 98

Приложение 1. Программа для визуализации параметров системы управления 101

Приложение 2. Программа для тестирования ПИД-регуляторов в Matlab 104

Список терминов и сокращений

ПИД – Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор.

ПД – это упрощенная версия ПИД-регулятора, которая использует только два компонента: пропорциональный (P) и дифференциальный (D).

SCARA – Selective Compliance Assembly Robot Arm (робот с избирательной податливостью для сборочных операций).

ЭДС – Электродвижущая сила.

Кп – Коэффициент пропорциональности (в ПИД-регуляторе).

Ки – Коэффициент интеграла (в ПИД-регуляторе).

Кд – Коэффициент дифференциала (в ПИД-регуляторе).

MATLAB – язык программирования и среда для численных вычислений, анализа данных и моделирования систем.

Gazebo – opensource симулятор робототехники, разработанный проектом ROS (Robot Operating System). Gazebo предоставляет высокопроизводительную физическую симуляцию, включая динамику объектов, взаимодействие с окружающей средой и различные датчики (камеры, лидары, гироскопы).

Webots – платформа для моделирования и симуляции роботов, которая поддерживает как 2D, так и 3D сценарии.

Рекуррентные нейронные сети (Recurrent Neural Networks, RNN) – класс нейронных сетей, предназначенный для работы с последовательными данными.

Обучение с подкреплением (Reinforcement Learning, RL) –раздел машинного обучения, в котором агент учится принимать решения, взаимодействуя с окружающей средой.

Глубокие Q-сети (DQN) – это метод обучения с подкреплением, который сочетает в себе Q-обучение (Q-learning) и глубокие нейронные сети для работы с высокоразмерными пространствами состояний. Этот подход стал популярным благодаря своей способности решать сложные задачи управления, такие как игры или робототехника.

Алгоритмы градиента стратегии (Policy Gradient, PG) – это методы обучения с подкреплением, которые напрямую оптимизируют параметры политики (policy), то есть функции, которая определяет, какое действие агент должен предпринять в каждом состоянии. В отличие от методов на основе Q-обучения, где сначала оценивается функция ценности (value function), а затем выводится оптимальная политика, Policy Gradient напрямую максимизирует ожидаемое вознаграждение, изменяя параметры политики.

Алгоритмы прямого-обратного прохода (DDP) Differential Dynamic Programming (DDP) – численный метод оптимизации траекторий в задачах управления динамическими системами. Этот алгоритм широко используется для решения задач оптимального управления, где требуется минимизировать заданную целевую функцию при соблюдении ограничений на динамику системы. Основная идея DDP заключается в итеративном улучшении траектории путем выполнения прямого прохода (forward pass) для моделирования системы и обратного прохода (backward pass) для вычисления корректирующих управлений.

Industry 4.0 (Индустрия 4.0) – концепция четвертой промышленной революции, которая охватывает интеграцию цифровых технологий, автоматизации и анализа данных в производственных процессах. Она направлена на создание «умных фабрик», где машины, системы и люди взаимодействуют через сеть для повышения эффективности, гибкости и качества производства.

Введение

Современные робототехнические системы играют ключевую роль в различных отраслях промышленности, медицины, исследований и даже бытовой сферы. Особое место среди них занимают манипуляционные роботы, которые предназначены для выполнения задач, связанных с перемещением объектов в пространстве. Одним из наиболее распространенных типов таких роботов являются двухзвенные манипуляторы, характеризующиеся относительной простотой конструкции и высокой эффективностью при решении широкого круга задач.

Однако успешное применение манипуляционных роботов невозможно без точной и надежной системы управления. Качество управления напрямую влияет на такие характеристики, как точность позиционирования, время выполнения операций, энергоэффективность и устойчивость системы. В этой связи разработка методов расчета и анализа характеристик качества систем управления является одной из важнейших задач современной робототехники.

Особый интерес представляет использование классических методов управления, таких как ПИД-регулирование (пропорционально-интегрально-дифференциальное управление), которое широко применяется благодаря своей универсальности и относительной простоте реализации. Однако эффективность ПИД-регулятора во многом зависит от правильного выбора его параметров, что требует проведения тщательного анализа и моделирования.

Целью данной работы является разработка подсистемы расчета и визуализации характеристик качества систем управления для программного комплекса моделирования двухзвенных манипуляционных роботов. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обзор и анализ функционала и возможностей пакета прикладных программ «RobotTrajectory», изучение аналогичных работ в данной области разработки.
2. Разработка структуры подсистемы программного комплекса для решения задач расчета и визуализации характеристик качества систем управления для программного комплекса моделирования двухзвенных манипуляционных роботов.
3. Программная реализация расчета и визуализации характеристик качества систем управления двухзвенных роботами, описываемых дифференциальными уравнениями.
4. 4.Разработка инструмента создания конфигурации заданного робота и визуализации траектории движения в зависимости от циклограммы траектории движения с учетом всех варьируемых параметров.
5. 5.Тестирование подсистемы программного комплекса, проверка на наличие ошибок и качества моделирования.
6. 6. Проведение экспериментальных исследований.

Актуальность исследования обусловлена растущими требованиями к точности и эффективности систем управления роботами, а также необходимостью создания удобных инструментов для их моделирования и анализа. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации управления реальными робототехническими системами, а также для обучения студентов и специалистов основам робототехники и теории управления.

Структура работы включает введение, литературный обзор, теоретическую и экспериментальную части, экономическую часть, заключение, список использованных источников и приложения.