Plik PDF - PAR Pomiary - Automatyka

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
dr in. Józef Maecki
mgr in. Marcin Szulc
Akademia Marynarki Wojennej
WYBRANE PROBLEMY WIZUALIZACJI RUCHU POJAZDU
PODWODNEGO W SYMULATORZE
Proces precyzyjnego sterowania bezzaogowym pojazdem podwodnym wymaga
od operatora staego monitorowania jego pooenia i ruchu. Prezentowany
w referacie program symulacyjny zapewnia operatorowi na okrcie zobrazowanie
pozycji i ruchu statku gbinowego wzgldem okrtu-matki i wzgldem dna
akwenu oraz jego usytuowania i ruchu w toni morskiej. W referacie
przedstawiono problem trójwymiarowego zobrazowania na ekranie
komputerowym pooenia zdalnie sterowanego statku gbinowego.
SELECTED PROBLEMS OF VISUALISATION OF MOTION
OF UNDERWATER VEHICLE IN SIMULATION PROGRAM
In the paper hardware and software description of the virtual visualisation module of
the simulator of ship stand of control of unmanned underwater vessel’s motion is
presented. A technology of processing of digital hydrographical data for 3D
presentation of a shape of the sea bottom and navigational obstacles in the undersea
space using GIS software is described.
1. WPROWADZENIE
Wspóczenie bezzaogowe pojazdy-roboty gbinowe w stay si wanym elementem
badania przestrzeni podwodnej. Staj si te wanym narzdziem sucym do wykonywania
prac podwodnych w rónorodnych dziedzinach dziaalnoci czowieka na morzu. Jednym
z podstawowych zada, jakie s realizowane przez pojazd-robot gbinowy jest celowe
przemieszczanie si z pooenia pocztkowego do okrelonego pooenia kocowego.
Ostatnimi laty w literaturze przedmiotu mona znale si wiele publikacji dotyczcych
problematyki sterowania zdalnymi i autonomicznymi statkami i robotami gbinowymi [1, 2,
4, 10, 11].
Wród wielkiej gamy rónorodnych rodków technicznych sucych do eksploracji gbin
morskich znaczc rol odgrywaj roboty podwodne (ang. URV – Underwater Robotic
Vehicle). Tego typu bezzaogowe, zdalnie sterowane pojazdy-roboty pywajce, wyposaone
w napd i posiadajce zdolnoci manewrowe, projektowane s w celu zastpowania pracy
nurków i wykonywania ich zada, na gbokociach nawet do kilku tysicy metrów [5, 6].
Za kontrol pracy wszystkich urzdze pojazdu-robota odpowiada system sterowania, który
sprawuje nadzór, poczynajc od napdu, a koczc na przeczaniu sensorów i aktuatorów.
W ukadzie sterowania takim pojazdem-robotem funkcje regulatora w torze sprzenia
zwrotnego spenia najczciej operator. Pilotowanie URV nie jest spraw atw i wymaga
duej wprawy oraz wielu godzin praktyki i dlatego buduje si symulatory bezzaogowych
pojazdów podwodnych. Przy budowie ich podstawowym problemem jest modelowanie
dynamiki pojazdu, dla którego budowany jest symulator.
330
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
W Instytucie Elektrotechniki i Automatyki Okrtowej Akademii Marynarki Wojennej od kilkunastu lat prowadzone s prace nad budow i integracj sprztowo-programow symulatora
stanowiska sterowania bezzaogowym pojazdem-robotem gbinowym [5]. Symulator skada
si ze stanowiska gównego - serwera systemu, pozwalajcego na kierowanie przebiegiem
misji podwodnej i ze stanowisk operatorskich - terminali, zawierajcych specjalistyczne
oprogramowanie uytkowe, pozwalajcych na szkolenie operatorów pojazdów-robotów
podwodnych – rys. 1.
Rys.1. Struktura stanowiska symulatora ruchu maego robota podwodnego
2. MODEL MATEMATYCZNY POJAZDU-ROBOTA GBINOWEGO
Aby dokona opisu dynamiki pojazdu-robota jego przemieszczanie przedstawia si jako ruch
ciaa sztywnego o 6 stopniach swobody w trójwymiarowym ukadzie wspórzdnych
kartezjaskich. Do opisu dynamiki przyjmuje si dwa ukady wspórzdnych – rys. 2:
ruchomy zwizany z kadubem pojazdu-robota i stay wzgldem rodka Ziemi [4, 11].
Rys. 2. Ukady odniesienia wspórzdnych kartezjaskich oraz notacja przyjta do opisu
precyzyjnego ruchu pojazdu-robota: O0X0Y0Z0 – ukad zwizany z pojazdemrobotem, OXYZ – ukad zwizany z Ziemi, [u w] – wektor prdkoci liniowych,
wystpujcych odpowiednio w kierunku osi X0, Y0 i Z0, [p q r] – wektor prdkoci
ktowych wzgldem osi X0, Y0 i Z0
automation 2009
331
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
Tak przyjte ukady umoliwiaj opis ruchu pojazdu-robota gbinowego za pomoc ukadu
równa kinetycznych i kinematycznych. Równania kinetyczne, opisujce dynamik pojazdurobota w ukadzie zwizanym ze z kadubem pojazdu oraz równania kinematyczne
okrelajce geometryczne wasnoci ruchu w ukadzie zwizanym z Ziemi przedstawia
poniszy ukad równa róniczkowych (1) [4]:
ª º
« »
¬ ¼
ª M 1 >C( ) D @
«
J( )
«¬
0 º ª º ª M 1 º
»« » «
»
0 »¼ ¬¼ «¬ 0 »¼
(1)
gdzie:
M
– macierz si bezwadnoci pojazdu-robota,
C(v)
– macierz grupujca siy odrodkowe i siy Coriolisa,
D
– macierz tumienia hydrodynamicznego,
J()
– macierz transformacji,
>u ,X , w, p , q , r @T
– wektor prdkoci liniowych i ktowych w ukadzie zwizanym
z pojazdem-robotem,
>x , y , z ,I ,T ,\ @T
– wektor pooenia i orientacji pojazdu-robota w ukadzie
zwizanym z Ziemi,
>X ,Y , Z , K , M , N @T – wektor sterowa pojazdu-robota .
3. SYSTEM STEROWANIA POJAZDU-ROBOTA W SYMULATORZE
Gównym zadaniem systemu sterowania pojazdu-robota w symulatorze jest zapewnienie
dokadnego poruszania si statku wzdu zadanej trajektorii ruchu w warunkach niepenej
biecej informacji o stanie obiektu sterowania. Dla zdalnie sterowanego pojazdu-robota
gbinowego podstawowym ruchem jest przemieszczanie si w paszczynie poziomej
z niewielkimi zmianami w paszczynie pionowej (ruch w czterech stopniach swobody z
maymi ktami koysa wzdunych i bocznych). Std te celowym jest rozpatrywanie jego
ruchu przestrzennego jako zoenia dwóch przemieszcze: ruchu paskiego w paszczynie
poziomej i ruchu w paszczynie pionowej [2, 6, 10, 11].
System sterowania w symulatorze zaprojektowano przy zaoeniu, e:
pojazd-robot porusza si ze zmiennymi prdkociami liniowymi u, , w i prdkoci
ktow r;
wielkociami dostpnymi pomiarowo s: pooenie pojazdu-robota x, y, z i kurs ;
sygnaem sterujcym jest wektor >X , Y , Z , N @T , którego skadowe oznaczaj odpowiednio:
si w kierunku osi wzdunej X0, poprzecznej Y0 i pionowej Z0 oraz moment obracajcy
wokó osi pionowej N0.
Struktur przyjtego w symulatorze systemu sterowania przedstawiono na rys. 3.
332
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
Rys. 3. Struktura systemu sterowania pojazdu-robota w symulatorze
3.1. Zasada sterowania rozmytego
Regulator w logice rozmytej jest rodzajem systemu ekspertowego na bazie wiedzy, który
zawiera algorytm sterowania zapisany w postaci prostej bazy regu. Wiedza zakodowana
w bazie regu jest wyprowadzona zarówno na podstawie ludzkiego dowiadczenia oraz
intuicji jak i teoretycznego i praktycznego zrozumienia dynamiki obiektu sterowanego.
Nierozmyty algorytm sterowania uzyskiwany jest w wyniku przeksztacenia wiedzy wpisanej
w baz regu w procesie wnioskowania przyblionego [3, 4, 9].
Do realizacji zadania sterowania statkiem gbinowym wybrany zosta regulator rozmyty typu
PD [6] pracujcy w ukadzie przedstawionym na rys. 4.
Rys. 4. Schemat blokowy regulatora rozmytego ze sprzeniem: K z – wielko zadana,
e(k) – uchyb sygnau e( k ) K z K ( k ) , 'e(k ) – zmiana uchybu sygnau
'e( k )
e( k ) e( k 1)
automation 2009
333
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
Dla zmiennych wejciowych e i e regulatora rozmytego oraz sygnau sterujcego i zostay
dobrane funkcje przynalenoci przedstawione odpowiednio na rys. 4. Znaczenie symboli
przyjtych do opisu zmiennych lingwistycznych jest nastpujce:
U – ujemne, Z – zero, D – dodatnie, M – mae, S – rednie, D – due. W tab. 1 zostay
przedstawione reguy sterowania opracowane na podstawie standardowej bazy regu Mac
Vicar-Whelana [3, 6].
Tab. 1. Baza regu regulatora rozmytego
uchyb e
zmiana uchybu
'e
UD
US
Z
DS
DD
U
UD
US
UM
Z
DM
Z
US
UM
Z
DM
DS
D
UM
Z
DM
DS
DD
sygna sterujcy W
3.2. Opis ogólny symulatora
Symulator ruchu maego pojazdu-robota podwodnego moe wspópracowa z okrtowym
systemami dowodzenia oraz innymi systemami wykorzystujcymi jako wejcia informacyjne
róda danych nawigacyjnych i hydrolokacyjnych. W symulatorze wszystkie dane wejciowe
i wyjciowe speniaj standardy transmisji znakowej okrelone wymogami NMEA 0183 oraz
RS-232. Wszystkie dane pozyskiwane z sensorów oraz terminali s przesyane do systemowej
bazy danych w serwerze systemu, które po zobrazowaniu na ekranie komputera zapewniaj
prowadzcemu wiczenie czytelny obraz sytuacji, w jakiej pracuj poszczególne terminale
[5].
Do podstawowych funkcji symulatora naley zaliczy:
akwizycj i archiwizowanie danych
hydrolokacyjnych w bazie danych,
uzyskiwanych
z
rzeczywistych
róde
moliwo generacji dowolnej sytuacji podwodnej i archiwizowanie jej w bazie danych,
zobrazowanie sytuacji podwodnej uzyskanej z bazy danych systemu na ekranie monitora
komputerowego,
zapewnienie powtarzalnoci sytuacji podwodnej dla celów szkoleniowych i analizy
sytuacji nawigacyjno-taktycznej.
Na rys. 5 przedstawiono ide rozwizania laboratoryjnej wersji symulatora sytuacji
podwodnej. Realizacja zaoonych funkcji systemu wymusia dobór waciwej platformy
sprztowej i programowej. Oprogramowanie systemowe zostao wzbogacone o procedury,
uwzgldniajce obieg informacji w ramach zaproponowanej struktury systemu
symulacyjnego. Uyty do realizacji sprzt komputerowy jest jednorodny pod wzgldem styku
operatora z systemem – standard OSF/Motif na bazie X-Window. Komunikacja pomidzy
poszczególnymi stanowiskami symulatora spenia standard TCP/IP, realizujc model klientserwer.
334
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
Rys. 5. Struktura techniczna zintegrowanego laboratoryjnego stanowiska symulatora
4. ZARYS TECHNOLOGII PRZESTRZENNEGO ZOBRAZOWANIA TONI
PODWODNEJ W SYMULATORZE
Dane pomiarowe uzyskane podczas prac echosondaowych przechowywane s w plikach
tekstowych, zawierajcych informacje o kolejnych pozycjach okrtu i pomierzonych
gbokociach przydatnych dla sterowania pojazdem-robotem podwodnym.
Z pliku tekstowego, dla kadej z echosond naley wydoby informacj o zmierzonych
gbokociach i pozycjach okrtu odpowiadajcych temu pomiarowi. Dane te czy si na
podstawie informacji o czasie pomiaru, która znajduje si w kadym wierszu. Dla potrzeb
programu ARC/INFO dla kadej z echosond trzeba stworzy dwa pliki, z których jeden
zawiera kolejne pozycje okrtu podczas pomiarów a drugi, kolejne, zmierzone gbokoci.
Kady wiersz musi zaczyna si od indeksu pozwalajcego powiza dane z obu plików.
W programie ARC/INFO na podstawie pliku z pozycjami okrtu tworzymy warstw
punktów. Kady z punktów jako identyfikator bdzie posiada numer indeksu z pliku. Z pliku
gbokoci tworzy si tabel, w której pierwsza kolumna zawiera numery indeksów, a druga
wartoci gbokoci. Nastpnie docza si dane z tabeli do warstwy punktów, wic
odpowiednie wiersze na podstawie indeksów. Do dalszej interpretacji danych naley uy
programu ArcView GIS z rozszerzeniem 3D Analyst. Wczytuje si do niego warstw
punktów z informacj o gbokociach i generuje si, na jej podstawie, siatk trójktów
(TIN) [7, 8].
W celu uzyskania obrazu trójwymiarowego, naley w programie ArcView otworzy widok
3D i wczyta do niego wygenerowan siatk trójktów. Nastpnie, w tzw. waciwociach
widoku, okrelamy rodzaj interpretacji danych. Najciekawszymi i posiadajcymi najwikszy
adunek informacyjny s otrzymywane zobrazowania kolorowe, z palet barw, cile
przyporzdkowan prezentowanym wysokociom (gbokociom) punktów. Przykady,
niektórych, uzyskanych zobrazowa monochromatycznych przedstawiono poniej na rys. 6
i rys. 7.
automation 2009
335
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
Opracowane rodowisko sprztowo-programowe moduu zobrazowania symulatora
okrtowego stanowiska sterowania bezzaogowym statkiem gbinowym poddawane jest
obecnie funkcjonalnym próbom i testom laboratoryjnym. Zebrane dowiadczenia z zakresu
trójwymiarowego zobrazowania przestrzeni podwodnej na podstawie danych z echosonday
w peni potwierdzaj ich przydatno do szkolenia operatorów pojazdów-robotów
podwodnych.
Rys. 6. Zobrazowanie trójwymiarowe Rys. 7. Zobrazowanie identycznego, jak na
ilustrujce fragment rynny toru wodnego, rys. 6, fragmentu toru wodnego, z
wywietlajce siatk trójktów (TIN)
zastosowaniem
jednobarwnej
tekstury
i wiato-cienia
Obraz widziany na ekranie przez operatora wiczcego na symulatorze przedstawia rys. 8 [5].
Rys. 8. Wygld ekranu symulatora podczas pracy
W celu wiernego oddania warunków pracy operatora zastao stworzone wirtualne rodowisko
3D, w którym pojazd moe si porusza a operator ma moliwo wykonywania pewnych
zada. Sterowanie pojazdem odbywa si poprzez wychylanie drka dwóch manipulatorówjoysticków. Jeden z nich odpowiada za zadawanie naporów wzdu osi X, Y, drugi za
odpowiada za zadawanie naporu wzdu osi Z.
336
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
5. PODSUMOWANIE
W Instytucie Elektrotechniki i Automatyki Okrtowej Akademii Marynarki Wojennej
zrealizowano model laboratoryjny symulacyjnego systemu zobrazowania ruchu pojazdurobota podwodnego, sterowanego drog przewodow [5]. Oprogramowanie uytkowe
systemu zobrazowania jest przeznaczone do zapewnienia skutecznego podgldu sytuacji
nawigacyjno-taktycznej pojazdu na konsoli operatorskiej i suy do szkolenia operatorów,
którzy w przyszoci bd sterowa rzeczywistymi statkami gbinowymi. Std te
przeprowadzone prace projektowe i programowe zrealizowane w ramach konstruowania
moduu symulatora ukierunkowane byy na ich przysze wykorzystanie dla potrzeb szkolenia
pilotów-operatorów podwodnych pojazdów-robotów.
LITERATURA
1. Bhattacharyya R., Dynamics of Marine Vehicles. John Wiley and Sons, Chichester 1978.
2. Craven J., Sutton R, Burns, R. S., Control Strategies for Unmanned Underwater Vehicles.
Journal of Navigation, No. 51, 1998, pp. 79-105.
3. Driankov D., Hellendoorn H., Reinfrank M., Wprowadzenie do sterowania rozmytego,
WNT, Warszawa, 1996.
4. Fossen T. I.: Marine Control Systems. Marine Cybernetics AS, Trondheim 2002.
5. Garus J., Maecki J. i inni, Sprawozdanie z pracy nb. p.k. Oko. Gdynia AMW 2007.
6. Garus J., Dynamical Control of Motion of Underwater Vehicle in Horizontal Plane. Proc.
of the 8th IEEE Int. Conf. on Methods and Models in Automation and Robotics MMAR
’02, Szczecin 2002, pp. 891 – 896.
7. Litwin L., Myrda G., Systemy informacji geograficznej. Zarzdzanie danymi
przestrzennymi. Gliwice Wydawnictwo Helion 2005.
8. Morain S., Baros S. L., Raster Imaginery in Geographic Information Systems. New York
on Words Press 1996.
9. Rutkowska D., Piliski M., Rutkowski L., Sieci neuronowe, algorytmy genetyczne
i systemy rozmyte, PWN, Warszawa, 1999.
10. Spong M. W., Vidyasagar M., Dynamika i sterowanie robotów. Wydawnictwa NaukowoTechniczne, Warszawa 1997.
11. Yoerger D.R., Slotine J.E., Robust Trajectory Control of Underwater Vehicles. IEEE
Journal of Oceanic Engineering, No. 4, 1985, pp. 462-470.
automation 2009
337