RU137812U1

RU137812U1 - Устройство управления дирижаблем

Info

Publication number: RU137812U1
Application number: RU2013130989/08U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Хасанович Пшихопов; Михаил Юрьевич Медведев; Игорь Георгиевич Дорух; Виктор Александрович Крухмалев; Роман Викторович Федоренко
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2014-02-27

Abstract

Устройство управления дирижаблем, содержащее планировщик траектории, первый, второй и третий вычислители матричных коэффициентов, вычислитель сигнала управления, первый и второй блоки транспонирования матриц, блок формирования вектора нелинейных элементов, блок формирования матрицы коэффициентов управления, блок датчиков информации, блок сенсорного обеспечения, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, блок формирования вектора внешних скоростей, пороговое устройство, исполнительное устройство движителей и баллонетов и механическую систему дирижабля, в котором первый, второй, третий и четвертый выходы планировщика траектории соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами третьего вычислителя матричных коэффициентов, пятый выход планировщика траектории соединен с третьими входами первого и второго вычислителей матричных коэффициентов, первый вход второго вычислителя матричного коэффициента соединен со вторым выходом планировщика траектории, второй вход первого вычислителя матричного коэффициента соединен с шестым входом второго вычислителя матричного коэффициента, вход первого блока транспонирования матриц соединен с пятым входом третьего вычислителя матричного коэффициента, а выход - с его шестым входом и пятым входом второго вычислителя матричного коэффициента, седьмой вход третьего вычислителя матричного коэффициента соединен с четвертыми входами первого и второго вычислителей ма

Description

Полезная модель относится к системам управления и может быть использована при разработке систем управления подвижными объектами, в частности, дирижаблями, обеспечивающим их перемещение вдоль заданной траектории с заданной траекторной скоростью, или в заданную точку вдоль заданной траектории без предъявления требований к траекторной скорости, или в заданную точку с нулевой конечной скоростью.

Известно устройство траекторного управления [П.Д. Крутько. Управление исполнительными системами роботов. - М.: «Наука», главная редакция физ.-мат. литературы, 1977, 336 с. - с. 308-313], содержащее планировщик траекторий, блок решения обратной задачи кинематики, блок аппроксимации, блок интерполяции, блок регуляторов, блок датчиков информации, вычислительные блоки, перемножители и сумматоры. Это устройство позволяет обеспечить асимптотическую устойчивость объекта управления при отработке планируемых траекторий.

Признаками этого аналога, общими с заявляемым устройством, являются планировщик траекторий, блок датчиков информации, вычислители, перемножители и сумматоры.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого полезной моделью, является низкая точность отработки траекторий. Она обусловлена тем обстоятельством, что процедура локальной аппроксимации сложных траекторий вносит существенные погрешности в планирование и, следовательно, в отработку этих траекторий и не позволяет стабилизировать заданное значение траекторной скорости.

Более точным и более близким к предлагаемому является «Устройство управления подвижным объектом», защищенное патентом РФ №2393522, кл. G05D 1/00, 2009 г. Это устройство содержит планировщик траектории, первый, второй и третий вычислители матричных коэффициентов, вычислитель сигнала управления, первый и второй блоки транспонирования матриц, блок датчиков информации, блок сенсорного обеспечения, блок формирования матрицы коэффициентов управления, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, блок формирования вектора внешних скоростей и входящие в состав объекта управления исполнительное устройство и механическую систему.

Признаками этого устройства, совпадающего с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются все перечисленные элементы.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого заявляемой полезной моделью, являются ограниченные функциональные возможности устройства. Дело в том, что в этом устройстве движение управляемого объекта ограничивается маршрутами, не содержащими препятствий, либо содержащими только неподвижные и заранее известные препятствия. Это обусловлено тем, что устройство требует предварительного картографирования области функционирования подвижного объекта и расчета такой траектории движения дирижабля в заданную точку пространства, которая обеспечивала бы обход препятствия и достижение дирижаблем заданной точки позиционирования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели (прототипом) является «Устройство управления подвижным объектом», защищенное патентом РФ №2450308, кл. G05D 1/00, G05B 19/19, 2008 г. Это устройство содержит все элементы, входящие в состав устройства, защищенного патентом РФ №2393522. Кроме того, в его состав дополнительно входят электронный переключатель, инвертор знака определения матрицы и пороговое устройство.

При этом все перечисленные элементы прототипа, кроме электронного переключателя и инвертора знака определения матрицы, входят и в состав заявляемой полезной модели.

В устройстве-прототипе постоянно измеряется расстояние r между управляемым объектом и ближайшим препятствием на пути его движения и при выполнении условия r≤r_доп, где r_доп - минимально допустимая дистанция сближения объекта управления с препятствием, изменяется знак одного из элементов матриц на противоположный.

При этом объект управления переходит в режим неустойчивого по расстоянию до препятствия движения до выполнения условия r>r_доп, то есть до выхода в зону, свободную от препятствий. После выхода в эту зону планировщик траекторий системы управления рассчитывает новую траекторию. В результате устройство формирует новый сигнал управления, обеспечивающий разворот (доворот) объекта управления до направления на целевую точку и движение его по вновь спланированной траектории.

Причиной, препятствующей достижению в устройстве-прототипе технического результата, обеспечиваемого заявляемой полезной моделью, является погрешность реализации заданной траектории объекта управления в случае неожиданного возникшего препятствия на пути его следования. Дело в том, что в этом случае в устройстве-прототипе препятствие в принципе хотя и преодолевается, однако при этом объект управления по сути сталкивается с препятствием, затем он вновь возвращается на дальность, превышающую величину r_доп, а затем совершается новая попытка обойти препятствие стороной с определенным радиусом разворота. Эти обстоятельства вызывают существенные отклонения траектории объекта управления от заданной траектории и значительные затраты времени на реализацию объектом управления заданной траектории.

Задачей, на решение которой направлено создание полезной модели, является уменьшение отклонения фактической траектории объекта управления от заданной и сокращение затрат времени на реализацию заданной траектории.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство управления подвижным объектом, защищенное патентом РФ №2450308, дополнительно введены измеритель диапазона изменения угла визирования препятствия, блок расчета поправки сигнала управления и сумматор, при этом шестой выход планировщика траекторий соединен с седьмым входом третьего вычислителя матричного коэффициента и четвертыми входами первого и второго вычислителей матричного коэффициента, первый и второй выходы измерителя диапазона изменения угла визирования препятствия соединены соответственно с первым и вторым информационными входами блока расчета поправки сигнала управления, второй выход блока сенсорного обеспечения соединен с третьим информационным входом блока расчета поправки сигнала управления, выход порогового устройства соединен с управляющим входом блока расчета поправки сигнала управления, первый и второй входы сумматора соединены соответственно с выходом вычислителя сигнала управления и выходом блока расчета поправки сигнала управления, а выход - с управляющим входом исполнительного устройства движителей и баллонетов.

Для достижения технического результата в известное устройство управления подвижным объектом, содержащее планировщик траектории, первый, второй и третий вычислители матричных коэффициентов, вычислитель сигнала управления, первый и второй блоки транспонирования матриц, блок формирования вектора нелинейных элементов, блок формирования вектора нелинейных элементов, блок формирования матрицы коэффициентов управления, блок датчиков информации, блок сенсорного обеспечения, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, блок формирования вектора внешних скоростей, пороговое устройство, исполнительное устройство движителей и баллонетов и механическую систему дирижабля, в котором первый, второй, третий и четвертый выходы планировщика траектории соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами третьего вычислителя матричных коэффициентов, пятый выход планировщика траектории соединен с третьими входами первого и второго вычислителей матричных коэффициентов, первый вход второго вычислителя матричного коэффициента соединен со вторым выходом планировщика траектории, второй вход первого вычислителя матричного коэффициента соединен с шестым входом второго вычислителя матричного коэффициента, вход первого блока транспонирования матриц соединен с пятым входом третьего вычислителя матричного коэффициента, а выход - с его шестым входом и пятым входом второго вычислителя матричного коэффициента, седьмой вход третьего вычислителя матричного коэффициента соединен с четвертыми входами первого и второго вычислителей матричных коэффициентов, первый, второй и третий входы вычислителя сигнала управления соединены соответственно с выходом первого, первым выходом второго и выходом третьего вычислителей матричных коэффициентов, четвертый и пятый входы - с выходами соответственно блока формирования вектора нелинейных элементов и блока формирования матрицы коэффициентов управления, первый и пятый входы первого вычислителя матричного коэффициента соединены соответственно со вторым и третьим выходами второго вычислителя матричного коэффициента, вход блока датчиков информации соединен с выходом исполнительного устройства движителей и баллонетов, механическая система дирижабля соединена непосредственно со входом блока датчиков информации, а через внешнюю среду - со входом блока сенсорного обеспечения, выход блока датчиков информации соединен с первым входом планировщика траекторий и первыми входами блоков формирования вектора нелинейных элементов и матрицы коэффициентов управления, матриц производных вектор-столбца внешних скоростей и вектора внешних скоростей, первый выход блока сенсорного обеспечения соединен со вторыми входами блоков формирования матриц - производных вектор-столбца внешних скоростей и вектора внешних скоростей, входом первого блока транспонирования матриц и вторым входом планировщика траектории, второй выход блока сенсорного обеспечения соединен со входом второго блока транспонирования матриц, выход которого соединен со вторым входом первого вычислителя матричного коэффициента, дополнительно введены измеритель диапазона изменения угла визирования препятствия и расстояния до него, блок расчета поправки сигнала управления и сумматор, при этом шестой выход планировщика траекторий соединен с седьмым входом третьего вычислителя матричного коэффициента и четвертыми входами первого и второго вычислителей матричного коэффициента, первый и второй выходы измерителя диапазона изменения угла визирования препятствия и расстояния до него соединены соответственно с первым и вторым информационными входами блока расчета поправки сигнала управления, второй выход блока формирования вектора внешних скоростей соединен с третьим информационным входом блока расчета поправки сигнала управления, выход порогового устройства соединен с управляющим входом блока расчета поправки сигнала управления, первый и второй входы сумматора соединены соответственно с выходом вычислителя сигнала управления и выходом блока расчета поправки сигнала управления, а выход - с управляющим входом исполнительного устройства движителей и баллонетов.

Исследования заявляемой полезной модели по патентной и научно-технической литературе показали, что совокупность вновь введенных измерителя диапазона изменения угла визирования препятствия, блока расчета поправки сигнала управления, сумматора и их связей в совокупности с остальными элементами и связями устройства-прототипа не поддается самостоятельной классификации. В то же время она не следует явным образом из уровня техники. Поэтому предлагаемую полезную модель следует считать удовлетворяющей критерию "новизна".

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведены:

- на фиг. 1 - структурная схема предлагаемой полезной модели в совокупности с входящими в состав дирижабля исполнительным устройством движителей и баллонетов и механической системой;

- на фиг. 2 - структурная схема первого вычислителя матричного коэффициента;

- на фиг. 3 - структурная схема второго вычислителя матричного коэффициента;

- на фиг. 4 - структурная схема третьего вычислителя матричного коэффициента;

- на фиг. 5 - структурная схема вычислителя сигнала управления.

Устройство управления дирижаблем содержит планировщик 1 траектории, первый 2, второй 3 и третий 4 вычислители матричных коэффициентов, вычислитель 5 сигнала управления, первый 6 и второй 7 блоки транспонирования матриц, блок 8 датчиков информации, блок 9 сенсорного обеспечения, блок 10 формирования вектора нелинейных элементов, блок 11 формирования матрицы коэффициентов управления, блок 12 формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок 13 формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, блок 14 формирования вектора внешних скоростей, пороговое устройство 15, измеритель 16 диапазона изменения угла визирования препятствия и расстояния до него, блок 17 расчета поправки сигнала управления, сумматор 18, исполнительное устройство 19 движителей и баллонетов и механическую систему 20.

Первый, второй, третий и четвертый выходы планировщика 1 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами вычислителя 4. Пятый выход планировщика 1 соединен с третьими входами вычислителей 2 и 3. Первый и второй входы вычислителя 3 соединены соответственно со вторым и третьим выходами планировщика 1, первый вход которого соединен с выходом блока 8 и первыми входами блоков 10, 11, 12, 13 и 14, а второй - с первым выходом блока 9, входом блока 6, вторыми входами блоков 12, 13 и 14 и пятым входом вычислителя 4. Выход блока 6 соединен с шестым входом вычислителя 4 и пятым входом вычислителя 3. Вход блока 7 соединен со вторым выходом блока 9, а выход - с шестым входом вычислителя 3 и вторым входом вычислителя 2, первый и пятый входы которого соединены соответственно со вторым и третьим выходами вычислителя 3.

Вход порогового устройства 15 соединен с третьим выходом измерителя 16.

Первый и второй выходы измерителя 16 соединены соответственно с первым и вторым сигнальными входами блока 17, третий сигнальный вход которого соединен с первым выходом блока 9, а управляющий вход - с выходом порогового устройства 15.

Первый вход сумматора 18 соединен с выходом вычислителя 5 сигнала управления, второй - с выходом блока 17, а выход - со входом входящего в состав управляемого объекта исполнительного устройства 19 движителей и баллонетов, выход которого соединен со входом блока 8 и входом входящей в состав дирижабля механической системы 20, которая через внешнюю среду 21 соединена со входом блока 9.

Выход вычислителя 2, второй выход вычислителя 3 и выход вычислителя 4 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами вычислителя 5, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой входы которого соединены с выходами блоков 10, 11, 12, 13 и 14 соответственно.

Вычислитель 2 содержит регистр 22, блок 23 умножения на два, перемножитель 24, сумматор 25, регистр 26 и перемножитель 27. Выход регистра 22 соединен с первым входом перемножителя 24, второй вход которого соединен с выходом блока 23, соединенного своим входом со вторым входом вычислителя 2. Первый вход сумматора 25 соединен с выходом перемножителя 24, второй вход - с пятым входом вычислителя 2, а выход - со вторым входом регистра 26, первый вход которого соединен с первым входом вычислителя 2, а выход - с первым входом перемножителя 27. Второй и третий входы перемножителя 27 соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислителя 2, а выход - с его выходом.

Вычислитель 3 содержит блоки 28 и 29 умножения на два, перемножители 30, 31, 32 и 33, регистр 34 и сумматоры 35, 36 и 37. Первый вход вычислителя 3 соединен с первыми входами перемножителей 30 и 31, вторые входы которых соединены с выходами блоков 28 и 29 соответственно, соединенных своими входами с шестым и пятым входами вычислителя 3 соответственно. Первый вход регистра 34 соединен с выходом перемножителя 30, второй заземлен, а выход соединен с третьим входом перемножителя 32, первый вход которого соединен с первым входом сумматора 36 и четвертым входом вычислителя 3, а выход - со вторым входом сумматора 37.

Первый вход сумматора 35 соединен со вторым входом и третьим выходом вычислителя 3, второй - с выходом перемножителя 31, а выход - со вторым выходом вычислителя 3 и первым входом перемножителя 33, второй вход которого соединен с выходом сумматора 36. Первый вход сумматора 37 соединен с выходом перемножителя 33, а выход - с первым выходом вычислителя 3.

Вычислитель 4 содержит перемножители 38, 39, 40 и 41, сумматор 42, инвертор 43, регистр 44 и блок 45 транспонирования матриц. Первый, второй и третий входы перемножителя 38 соединены соответственно со вторым, пятым и шестым входами вычислителя 4, а выход - с первым входом сумматора 42. Первый вход перемножителя 39 соединен с пятым входом вычислителя 4, второй - с третьим входом вычислителя 4, а выход - со вторым входом сумматора 42. Входы перемножителя 40 соединены с первым входом вычислителя 4, а выход - со входом инвертора 43. Выход инвертора 43 соединен со вторым входом регистра 44, первый вход которого заземлен, а выход соединен со входом блока 45 транспонирования матриц. Первый и второй входы перемножителя 41 соединены соответственно с выходом блока 45 и седьмым входом вычислителя 4, а выход - с четвертым входом сумматора 42, третий вход которого соединен с четвертым входом вычислителя 4, а выход является выходом вычислителя 4.

Вычислитель 5 содержит перемножители 46, 47, 48, 49 и 50, сумматоры 51 и 52 и блок 53 обращения матриц. Первый вход вычислителя соединен с первыми входами перемножителей 46, 47 и 48. Второй вход перемножителя 46 соединен со вторым входом перемножителя 47 и шестым входом вычислителя 5, третий вход - с пятым входом вычислителя 5, а выход - со входом блока 53. Третий вход перемножителя 47 соединен с четвертым входом вычислителя 5, а выход - с первым инверсным входом сумматора 52. Второй вход перемножителя 48 соединен с седьмым входом вычислителя 5, а выход - с первым входом сумматора 51, второй вход которого соединен со вторым входом вычислителя 5, а выход - с первым входом перемножителя 50. Второй вход перемножителя 50 соединен с восьмым входом вычислителя 5, а выход - со вторым инверсным входом сумматора 52, третий инверсный вход которого соединен с третьим входом вычислителя 5. Первый вход перемножителя 49 соединен с выходом блока 53, второй - с выходом сумматора 52, а выход является выходом вычислителя 5.

Функционирование предлагаемой полезной модели устройства управления заключается в следующем.

Сформированный вычислителем 5 сигнал управления U через сумматор 18 поступает на управляющий вход устройства 19.

Сначала рассмотрим случай, когда на второй вход сумматора 18 с выхода блока 17 поступает нулевой сигнал поправки.

Порядок формирования управляющего сигнала U также будет изложен ниже.

Устройство 19 и подключенные к его выходу механическая система 20 и блок 8 датчиков отрабатывают этот сигнал. Блок 8 осуществляет измерение внутренних координат дирижабля. На его выходах формируется вектор Z внутренних координат размерностью “n”, который поступает на первый вход планировщика 1 траекторий и входы блоков 10, 11, 12, 13 и 14. С выхода механической системы 20 через внешнюю среду 21 результаты отработки поступают на вход блока 9 сенсорного обеспечения. Этот блок осуществляет измерение внешних координат дирижабля - координат его центра тяжести и ориентации корпуса. На первом выходе блока 9 формируется вектор Y внешних координат дирижабля объекта размерностью “m”. Размерность m удовлетворяет условию n≤m≤6. На втором выходе блока 9 формируется вектор

производной вектора Y, причем только для тех значений

вектора Y, которые являются координатами центра тяжести дирижабля. Координаты вектора Y с первого выхода блока 9 поступают на второй вход планировщика 1 и на вход блока 6, а те из Значений Y^∗, которые являются координатами центра тяжести дирижабля, поступают кроме того на входы блоков 12, 13, 14 и на пятый вход вычислителя 4.

Планировщик 1, представляющий собой управляющую вычислительную машину, под действием управляющих сигналов Z и Y формирует на своих выходах следующие управляющие сигналы:

- траекторную (контурную) скорость V_K объекта управления;

- матрицы N_1j, N_2j и N_3j квадратичных форм от внешних координат, где

;

- диагональные матрицы C и A постоянных коэффициентов размерностью n×n.

Сигнал V_K формируется на первом выходе планировщика 1 и поступает оттуда на первый вход вычислителя 4. Сигнал N_1j формируется на втором выходе планировщика 1 и поступает оттуда на первый вход вычислителя 3 и на второй вход вычислителя 4. Сигнал N_2j формируется на третьем выходе планировщика 1 и поступает оттуда на второй вход вычислителя 3 и третий вход вычислителя 4. Сигнал N_3j формируется на четвертом выходе планировщика 1 и поступает оттуда на четвертый вход вычислителя 4. Матрица С формируется на пятом выходе планировщика 1 и поступает оттуда на третьи входы вычислителей 2 и 3. Матрица A формируется на шестом выходе планировщика 1 и поступает оттуда на четвертые входы вычислителей 2 и 3 и седьмой вход вычислителя 4..

В блоке 10 формируется вектор F нелинейного преобразования внутренних координат Z. Этот вектор - нелинейная функция - своя для каждого конкретного дирижабля. С выхода блока 10 вектор F поступает на четвертый вход вычислителя 5.

Аналогично в блоке 11 формируется матрица B нелинейного преобразования внутренних координат Z. Она представляет собой матрицу коэффициентов управления и так же, как и вектор F, является специфичной для каждого конкретного дирижабля. С выхода блока 11 матрица B поступает на пятый вход вычислителя 5.

В блоке 12 формируется матрица R - производная вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат. Она формируется как нелинейная функция не только внутренних Z, а и внешних Y координат и также является специфичной для каждого конкретного дирижабля. С выхода блока 12 матрица R поступает на шестой вход вычислителя 5.

В блоке 13 аналогично формируется матрица L - производная вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат. Она так же, как и матрица R, формируется как нелинейная функция координат Z и Y и является специфичной для каждого конкретного дирижабля. С выхода блока 13 матрица L поступает на седьмой вход вычислителя 5.

В блоке 14 формируется вектор M внешних скоростей, также являющийся нелинейной функцией координат Z и Y, специфичной для каждого объекта управления. С выхода блока 14 вектор M поступает на восьмой вход вычислителя 5. Кроме того, на выходе блока 15 формируется сигнал φ₃, соответствующий углу наклона вектора скорости дирижабля.

Блок 6 осуществляет транспонирование поступившего на его вход вектора Y внешних координат. Результат Y^T транспонирования с выхода блока 6 поступает на пятый вход вычислителя 3. Часть элементов этого вектора Y^∗, представляющая собой координаты центра тяжести дирижабля, поступает кроме того на шестой вход вычислителя 4.

Аналогично блок 7 осуществляет транспонирование поступившего на его вход вектора

- производной вектора внешних координат, являющихся координатами центра тяжести дирижабля. Результат

транспонирования с выхода блока 7 поступает на второй вход вычислителя 2 и шестой вход вычислителя 3.

Пороговое устройство 15 определяет выполнение условия:

где r_доп - минимально допустимая дистанция сближения дирижабля с препятствиями.

Рассмотрим сначала работу полезной модели устройства управления в случае, если r>r_доп.

В вычислителе 3 рассчитывается вспомогательная матрица D_j и формируется второй матричный коэффициент K₂.

Матрица D_j рассчитывается по формуле:

Расчет матрицы D_j осуществляется с помощью блока 29 умножения на два, перемножителя 31 и сумматора 35.

Матрица N_1j с первого входа вычислителя поступает на первые входы перемножителей 30 и 31, а матрица N_2j со второго входа вычислителя поступает на первый вход сумматора 35, кроме того ее составляющая N_2n поступает на третий выход вычислителя. Вектор Y^T с пятого входа вычислителя поступает на вход блока 29.

В блоке 29 поступивший на его вход вектор Y^T удваивается, и результат 2Y^T удвоения поступает на второй вход перемножителя 31. На выходе последнего формируется произведение 2Y^T·N_1i, где i=j-1, которое поступает на второй вход сумматора 35, где оно суммируется с матрицей N_2j, поступившей на его первый вход. В результате на выходе сумматора 35 формируется матрица D_j в соответствии с уравнением (2). С выхода сумматора 35 матрица D_j поступает на первый вход перемножителя 33 и на второй выход вычислителя, откуда затем поступает на первый вход вычислителя 2.

Второй матричный коэффициент K₂ формируется с помощью блока 28 умножения на два, перемножителей 30, 32 и 33, регистра 34 и сумматоров 36 и 37.

Вектор

с шестого входа вычислителя поступает на вход блока 28. Матрица C с третьего входа вычислителя поступает на вторые входы перемножителя 32 и сумматора 36, а матрица A - с четвертого входа вычислителя поступает на первые входы перемножителя 32 и сумматора 36.

В блоке 28 поступивший на его вход вектор

удваивается, и результат

удвоения поступает на второй вход перемножителя 30. На выходе перемножителя 30 формируется произведение

, которое поступает на первый вход регистра 34. Поскольку второй вход регистра 34 заземлен, на его выходе формируется матрица

, которая поступает на третий вход перемножителя 32.

В сумматоре 36 поступившие на его входы матрицы A и C суммируются, и результат [C+A] суммирования с выхода сумматора 36 поступает на второй вход перемножителя 33, где он умножается на матрицу поступившую на его первый вход. Результат [C+A]·[D_j] умножения, представляющий собой первое слагаемое матричного коэффициента K₂, поступает на первый вход сумматора 37.

В перемножителе 32 поступившие на его вход матрицы перемножаются, и результат

перемножения, представляющий собой второе слагаемое матричного коэффициента K₂, поступает на второй вход сумматора 37.

В сумматоре 37 поступившие на его входы матрицы суммируются, и на его выходе формируется результат суммирования - матричный коэффициент K₂ в соответствии с уравнением:

Этот результат поступает на первый выход вычислителя.

Таким образом, в вычислителе 3 формируются:

- на первом выходе второй матричный коэффициент K₂ в соответствии с уравнением (3);

- на втором выходе вспомогательная матрица D_i в соответствии с уравнением (2);

- на третьем выходе матрица N_2n квадратичной формы от внешних координат.

Матричный коэффициент K₂ поступает с первого выхода вычислителя 3 на второй вход вычислителя 5, матрица D_i поступает со второго выхода вычислителя 3 на первый вход вычислителя 2, а матрица N_2n - с третьего выхода вычислителя 3 на пятый вход вычислителя 2.

В вычислителе 2 формируется первый матричный коэффициент K₁.

Вектор

со второго входа вычислителя поступает на вход блока 23 умножения на два. В блоке 23 он удваивается, и результат

удвоения поступает на второй вход перемножителя 24. Регистр 22 представляет собой единичную матрицу E размерностью m×m. Его содержимое поступает на первый вход перемножителя 25. На выходе перемножителя 24 формируется произведение

, которое поступает на первый вход сумматора 25, на второй вход которого поступает матрица N_2n с пятого входа вычислителя. На выходе сумматора 25 формируется сумма матриц на его входах, равная

. С выхода сумматора 25 она поступает на второй вход регистра 26, на первый вход которого поступает матрица D_i с первого входа вычислителя. В результате в регистре 26 формируется матрица

, которая с его выхода поступает на первый вход перемножителя 27. На второй и третий входы перемножителя 27 поступают матрицы C и A соответственно с третьего и четвертого входов вычислителя. На выходе перемножителя 27 и выходе вычислителя формируется результат перемножения - матричный коэффициент K₁ в соответствии с уравнением:

С выхода вычислителя 2 матричный коэффициент K₁ поступает на первый вход вычислителя 5.

В вычислителе 4 формируется третий матричный коэффициент K₃.

На первый вход перемножителя 38 поступает матрица N_1j со второго входа вычислителя, на второй - вектор Y^∗ с пятого входа вычислителя, а на третий - результат Y^∗T транспонирования этого вектора с шестого входа вычислителя. На выходе перемножителя 38 формируется матрица

- результат перемножения матриц на его входах. Сформированная матрица с выхода перемножителя 38 поступает на первый вход сумматора 42. На первый вход перемножителя 39 поступает вектор

с пятого входа вычислителя, а на второй - матрица N_2j с его третьего входа. На выходе перемножителя 39 формируется матрица N_2j·Y^∗ - результат перемножения матриц на его входах. Сформированная матрица с выхода перемножителя 39 поступает на второй вход сумматора 42, на третий вход которого поступает матрица N_3j квадратичных форм с четвертого входа вычислителя. На оба входа перемножителя 40 с первого входа вычислителя поступает заданное значение V_к траекторной скорости. Перемножитель 40 возводит его в квадрат, результат

инвертируется инвертором 43, и результат

инвертирования поступает на второй вход регистра 44. Поскольку первый вход регистра 44 заземлен, на его выходе формируется матрица вида

, которая поступает на вход блока 45 транспонирования матриц. На выходе блока 45 формируется матрица

, которая поступает на первый вход перемножителя 41. На второй вход этого перемножителя поступает матрица A с седьмого входа вычислителя. На выходе перемножителя 41 и на четвертом входе сумматора 42 формируется матрица

, равная произведению матриц на его входах. На выходе сумматора 39 и выходе вычислителя формируется матрица, равная сумме матриц на его четырех входах. Она представляет собой третий матричный коэффициент K₃ и определяется уравнением:

С выхода вычислителя 4 матричный коэффициент K₃ поступает на третий вход вычислителя 5.

В вычислителе 5 формируется вектор управления U.

На первые входы перемножителей 46, 47 и 48 с первого входа вычислителя поступает первый матричный коэффициент K₁, на вторые входы перемножителей 46 и 47 поступает матрица R с шестого входа вычислителя, на второй вход перемножителя 48 - матрица L с седьмого входа вычислителя, а на третьи входы перемножителей 46 и 47 - матрица B и вектор F с пятого и четвертого входов вычислителя соответственно. На выходе перемножителя 46 формируется матрица K_1··R·B - результат перемножения матриц на его входах. С выхода перемножителя 46 результат перемножения поступает на вход блока 53 обращения матриц. На выходе блока 53 формируется обращенная матрица [K_1··R·B]^-1, которая поступает на первый вход перемножителя 49. На выходе перемножителя 47 формируется матрица K_1··R·F - результат перемножения матриц на его входах, которая поступает на первый инверсный вход сумматора 52. На выходе перемножителя 48 и первом входе сумматора 51 формируется матрица K_1··L - результат перемножения матриц на его входах. Второй матричный коэффициент K_2· со второго входа вычислителя поступает на второй вход сумматора 51, где он суммируется с матрицей K_1·-L, а результат [K_1··L+K_2·] суммирования поступает на первый вход перемножителя 50. На второй вход этого перемножителя поступает вектор M внешних скоростей с восьмого входа вычислителя. На выходе перемножителя 50 формируется матрица [K_1··L+K_2·]·M - результат перемножения матриц на его входах, которая поступает на второй инверсный вход сумматора 52. На третий вход этого сумматора с третьего входа вычислителя поступает третий матричный коэффициент K_3·. На выходе сумматора 52 и на втором входе перемножителя 49 формируется матрица ⌊-K_3·-K_1··R·F-[K₁·L+K_2·]·M⌋ □ проинвертированная сумма матриц на входах сумматора 52. На выходе перемножителя 49 и выходе вычислителя формируется результат перемножения U-вектор управления в соответствии с уравнением:

С выхода вычислителя управление (сигнал управления) V поступает на управляющий вход устройства 19.

Таким образом, при выполнении условия r>r_доп заявляемое устройство реализует следующий алгоритм формирования управляющего сигнала U:

- измерение внутренних координат Z управляемого объекта;

- измерение его внешние координат Y и их производных

;

- формирование матриц N_1j,·N_2j,·N_3j квадратичных форм, первой A и второй C диагональных матриц постоянных коэффициентов и вспомогательной матрицы D_j в соответствии с уравнением:

D_j=2Y^T·N_1j+N_2j.

- формирование вектора M внешних скоростей, вектора F и матрицы B нелинейного преобразования внутренних координат, матриц - производных R и L вектор-столбца внешних скоростей;

- формирование матричных коэффициентов K_1·, K_2· и K_3· в соответствии с уравнениями (3), (4) и (5) соответственно;

- формирование вектора управления U в соответствии с уравнением (6).

Описанный алгоритм полностью соответствует алгоритму управления, приведенному в работе [В.Х. Пшихопов “Аналитический синтез синергетических регуляторов для позиционно-траекторных систем управления мобильными роботами”. Материалы XI научно-технической конференции “Экстремальная робототехника”. Под научной редакцией проф. Е.И. Юревича. С-Пб, издательство С-ПбГТУ, 2000]. Он соответствует движению мобильного (подвижного) объекта вдоль заданной траектории.

В случае, если на маршруте следования дирижабля вблизи него появляется одно или несколько препятствий, то начинает выполняться условие (1), пороговое устройство 15 формирует на своем выходе и на управляющем входе блока 17 сигнал, под действием которого блок 17 формирует сигнал ΔU поправки к сигналу управления. Этот сигнал, суммируясь в сумматоре 18 с сигналом U управления, поступает в качестве управляющего на вход управления устройства 19.

Сигнал ΔU поправки формируется с помощью измерителя 16 диапазона изменения угла визирования препятствия и блока 17 формирования сигнала поправки к сигналу управления. Измеритель 16 формирует на своих первом и втором выходах сигналы φ₁ и φ₂, соответствующие максимальному и минимальному углам визирования препятствия с дирижабля. Эти сигналы поступают соответственно на первый и второй информационные входы блока 17. На третий информационный вход блока 17 с выхода блока 14 поступает сигнал φ₃, соответствующий углу наклона вектора скорости дирижабля. Сигнал ΔU поправки формируется блоком 17 по команде, поступающей из порогового устройства 15 на его управляющий вход. Сигнал ΔU поправки формируется в соответствии с уравнением:

,

где δ - сигнал фиксированного уровня положительной полярности, обеспечивающий максимальную скорость «отворота» дирижабля от столкновения с препятствием.

В результате «отработки» сигнала поправки начинает выполняться условие φ₃>φ₁ или φ₃<φ₂, что исключает встречу дирижабля с препятствием и обеспечивает его дальнейшее движение с минимальным отклонением от заданной траектории.

Таким образом, предлагаемая полезная модель устройства управления позволяет в отличие от прототипа полностью исключить столкновение дирижабля с незапланированным препятствием и существенно уменьшить отклонения фактической траектории дирижабля от заданной.

Предлагаемая полезная модель достаточно легко реализуема.

В качестве измерителя диапазона углов визирования ближайшего препятствия в горизонтальной и вертикальной плоскостях и расстояния r до него может служить координатор активной радиолокационной доплеровской головки самонаведения, защищенной патентом РФ №2313054, кл. F41G 7/22, 2006 г., реализующий высокое разрешение целей и точность определения их дальности и угловых координат.

В качестве остальных элементов для реализации предлагаемой полезной модели могут служить те же элементы, что и соответствующие элементы устройства-прототипа.

Claims

Устройство управления дирижаблем, содержащее планировщик траектории, первый, второй и третий вычислители матричных коэффициентов, вычислитель сигнала управления, первый и второй блоки транспонирования матриц, блок формирования вектора нелинейных элементов, блок формирования матрицы коэффициентов управления, блок датчиков информации, блок сенсорного обеспечения, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок формирования матрицы - производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, блок формирования вектора внешних скоростей, пороговое устройство, исполнительное устройство движителей и баллонетов и механическую систему дирижабля, в котором первый, второй, третий и четвертый выходы планировщика траектории соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами третьего вычислителя матричных коэффициентов, пятый выход планировщика траектории соединен с третьими входами первого и второго вычислителей матричных коэффициентов, первый вход второго вычислителя матричного коэффициента соединен со вторым выходом планировщика траектории, второй вход первого вычислителя матричного коэффициента соединен с шестым входом второго вычислителя матричного коэффициента, вход первого блока транспонирования матриц соединен с пятым входом третьего вычислителя матричного коэффициента, а выход - с его шестым входом и пятым входом второго вычислителя матричного коэффициента, седьмой вход третьего вычислителя матричного коэффициента соединен с четвертыми входами первого и второго вычислителей матричных коэффициентов, первый, второй и третий входы вычислителя сигнала управления соединены соответственно с выходом первого, первым выходом второго и выходом третьего вычислителей матричных коэффициентов, четвертый и пятый входы - с выходами соответственно блока формирования вектора нелинейных элементов и блока формирования матрицы коэффициентов управления, первый и пятый входы первого вычислителя матричного коэффициента соединены соответственно со вторым и третьим выходами второго вычислителя матричного коэффициента, вход блока датчиков информации соединен с выходом исполнительного устройства движителя и баллонетов дирижабля, механическая система дирижабля соединена непосредственно со входом блока датчиков информации, а через внешнюю среду - со входом блока сенсорного обеспечения, выход блока датчиков информации соединен с первым входом планировщика траекторий и первыми входами блоков формирования вектора нелинейных элементов и матрицы коэффициентов управления, матриц производных вектор-столбца внешних скоростей и вектора внешних скоростей, первый выход блока сенсорного обеспечения соединен со вторыми входами блоков формирования матриц - производных вектор-столбца внешних скоростей и вектора внешних скоростей, входом первого блока транспонирования матриц и вторым входом планировщика траектории, второй выход блока сенсорного обеспечения соединен со входом второго блока транспонирования матриц, выход которого соединен со вторым входом первого вычислителя матричного коэффициента, вычислитель первого матричного коэффициента содержит два регистра, два перемножителя, блок умножения на два и сумматор, первый вход первого регистра соединен с первым входом вычислителя, второй - с выходом сумматора, а выход - с первым входом второго перемножителя, вход блока умножения на два соединен со вторым входом вычислителя, а выход - со вторым входом первого перемножителя, соединенного своим первым входом с выходом второго регистра, а выходом - с первым входом сумматора, второй вход которого является пятым входом вычислителя, второй и третий входы второго перемножителя соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислителя, а выход является выходом вычислителя, вычислитель второго матричного коэффициента содержит два блока умножения на два, регистр, четыре перемножителя и три сумматора, первые входы первого и второго перемножителей соединены с первым входом вычислителя, а вторые - с выходами соответственно первого и второго блоков умножения на два, соединенных своими входами соответственно с шестым и пятым входами вычислителя, первый вход регистра соединен с выходом первого перемножителя, второй заземлен, а выход соединен с третьим входом третьего перемножителя, первый вход которого соединен с первым входом первого сумматора и четвертым входом вычислителя, второй - со вторым входом первого сумматора и третьим входом вычислителя, а выход - со вторым входом третьего сумматора, первый вход второго сумматора соединен со вторым входом и третьим выходом вычислителя, второй - с выходом второго перемножителя, а выход - со вторым выходом вычислителя и первым входом четвертого перемножителя, второй вход четвертого перемножителя соединен с выходом первого сумматора, а выход - с первым входом третьего сумматора, выход которого является первым выходом вычислителя, вычислитель третьего матричного коэффициента содержит четыре перемножителя, сумматор, инвертор, регистр и блок транспонирования матриц, первый и второй входы первого перемножителя соединены с первым входом вычислителя, а выход - со входом инвертора, соединенного своим выходом со вторым входом регистра, первый вход которого заземлен, первый, второй и третий входы второго перемножителя соединены соответственно со вторым, пятым и шестым входами вычислителя, а выход - с первым входом сумматора, первый вход третьего перемножителя соединен с пятым входом вычислителя, второй - с его третьим входом, а выход - со вторым входом сумматора, третий вход которого соединен с четвертым входом вычислителя, вход блока транспонирования матриц соединен с выходом регистра, а выход - с первым входом четвертого перемножителя, второй вход которого соединен с седьмым входом вычислителя, четвертый вход сумматора соединен с выходом четвертого перемножителя, а выход является выходом вычислителя, вычислитель сигнала управления содержит пять перемножителей, два сумматора и блок обращения матриц, первые входы первого, второго и третьего перемножителей соединены с первым входом вычислителя, второй вход первого перемножителя соединен со вторым входом второго и шестым входом вычислителей, третий вход - с пятым входом вычислителя, а выход - со входом блока обращения матриц, третий вход второго перемножителя соединен с четвертым входом вычислителя, а выход - с первым инверсным входом второго сумматора, второй вход третьего перемножителя соединен с седьмым входом вычислителя, а выход - с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен со вторым входом вычислителя, а выход - с первым входом пятого перемножителя, второй вход пятого перемножителя соединен с восьмым входом вычислителя, а выход - со вторым инверсным входом второго сумматора, третий инверсный вход которого соединен с третьим входом вычислителя, первый вход четвертого перемножителя соединен с выходом блока обращения матриц, второй - с выходом второго сумматора, а выход является выходом вычислителя, отличающееся тем, что в него дополнительно введены измеритель диапазона изменения угла визирования препятствия и расстояния до него, блок расчета поправки сигнала управления и сумматор, при этом шестой выход планировщика траекторий соединен с седьмым входом третьего вычислителя матричного коэффициента и четвертыми входами первого и второго вычислителей матричного коэффициента, первый и второй выходы измерителя диапазона изменения угла визирования препятствия и расстояния до него соединены соответственно с первым и вторым информационными входами блока расчета поправки сигнала управления, второй выход блока формирования внешних скоростей соединен с третьим информационным входом блока расчета поправки сигнала управления, выход порогового устройства соединен с управляющим входом блока расчета поправки сигнала управления, первый и второй входы сумматора соединены соответственно с выходом вычислителя сигнала управления и выходом блока расчета поправки сигнала управления, а выход - с управляющим входом исполнительного устройства движителей и баллонетов.