Шаблоны антропоморфного управления движением судна: конструирование и применение

В данной работе процесс конструирования шаблонов антропоморфного управления движением судна представлен решениями последовательности задач моделирования в пространстве состояний эргатической системы «судоводитель – судно» на примере судна типа Волго-Дон. В исходной математической модели управляемого объекта учтены параметрические интервальные неопределенности, влияющие на однозначность решения задачи оптимального управления в классической постановке. Факторами априорной неопределенности являются осадка судна и глубина судового хода. Численные решения задачи оптимального по быстродействию управления перемещением судна получены для концов интервалов значений параметров математической модели. Полученные решения использованы при конструировании шаблонов для описания и учета неопределенности распределения ресурсов управления по методологии планирования взаимодействия в эргатической системе. Шаблоны антропоморфного управления в системе «судоводитель – судно» представлены последовательностями номеров элементов множества нормальных систем обыкновенных дифференциальных уравнений, построенных в пятимерном пространстве состояний по преобразованной математической модели судна. Каждая нормальная система обыкновенных дифференциальных уравнений отображает в математической форме неполное, из-за существования неопределенностей, представление о действии виртуальных органов управления и соответствующем элементарном движении судна. Предложены процедуры построения различных вариантов распределения ресурсов антропоморфного управления и его соответствующих шаблонов, составленных по экспертным оценкам, на основе множества решений задачи оптимального управления. На конкретных примерах проиллюстрировано конструктивное свойство шаблонов антропоморфного управления: новые шаблоны могут быть построены с помощью стыковки в определенной последовательности типовых аналогов, а типовые шаблоны определены с применением сведений о выполненных движениях органов управления судном с учетом опыта судовождения. Тем самым показана возможность использования таких апостериорных сведений для управления эргатической системой «судоводитель – судно» рациональными способами, в том числе такими, которые не могут быть получены с помощью решения математических задач оптимального управления. Библиотека шаблонов антропоморфного управления представлена как составная часть базы знаний при использовании технологии экспертных систем в построении управляющего автомата с искусственным интеллектом.

1. Тырва В. О. О реализации совмещаемых управляющих воздействий на объект в системах «человекмашина» / В. О. Тырва, А. В. Саушев // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2020. — Т. 21. — № 5. — С. 274–281. DOI: 10.17587/mau.21.274–281.

2. Tyrva V. O. Anthropomorphic Control over Electromechanical System Motion: Simulation and Implementation / V. O. Tyrva, A. V. Saushev, O. V. Shergina // 2020 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). — IEEE, 2020. — Pp. 374–379. DOI: 10.1109/RusAutoCon49822.2020.9208070.

3. Тырва В. О. Автоматизация эргатической системы «человек-машина» на основе применения в ней антропоморфного управления / В. О. Тырва // Автоматизация в промышленности. — 2021. — № 2. — С. 3–7. DOI: 10.25728/avtprom.2021.02.01.

4. Тырва В. О. Аналитический подход к конструированию совместного управления движением эргатической системы «судоводитель-судно» / В. О. Тырва, А. В. Саушев // Мехатроника, автоматизация, управление. —2021. — Т. 22. — № 9. — С. 459–467.

5. Saushev A. On the use of templates in joint control of the object movement of the human-machine ergatic system / A. Saushev, V. Tyrva // AIP Conference Proceedings. — AIP Publishing, 2023. — Vol. 2476. — Is. 1. DOI: 10.1063/5.0103854.

6. Тырва В. О. Целеуказание совместного управления в системе «человек-машина»: моделирование и структуризация / В. О. Тырва, А. В. Саушев // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2023. — Т. 24. — № 2. — С. 67–74. DOI: 10.17587/mau.24.67–74.

7. Понтрягин Л. С. Математическая теория оптимальных процессов / Л. С. Понтрягин, В. Г. Болтянский, Р. В. Гамкрелидзе, Е. Ф. Мищенко. — М.: Наука, 1976. — 392 с.

8. Макаров И. М. Искусственный интеллект и интеллектуальные системы управления / И. М. Макаров, В. М. Лохин, С. В. Манько, М. П. Романов; [отв. ред. И. М. Макарова]; Отделение информ. Технологий и вычислит. Систем РАН. — М.: Наука, 2006. — 333 с.

9. Тырва В. О. Моделирование эргатической системы совместного управления движением судна / В. О. Тырва // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2021. — Т. 13. — № 2. — С. 266–277. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-2-266-277.

10. Моисеев Н. Н. Элементы теории оптимальных систем / Н. Н. Моисеев. — М.: Наука (Гл. ред. физ.-мат. лит.), 1974. — 528 с.

11. Ющенко А. С. Человек и робот — совместимость и взаимодействие / А. С. Ющенко // Робототехника и техническая кибернетика. — 2014. — № 1 (2). — С. 4–9.

12. Поспелов Д. А. Ситуационное управление: теория и практика / Д. А. Поспелов. — М.: Наука (Гл. ред. физ.-мат. лит.), 1986. — 288 с.

13. Филимонов А. Б. Ситуационный подход в задачах автоматизации управления техническими объектами / А. Б. Филимонов, Н. Б. Филимонов // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2018. — Т. 19. — № 9. — С. 563–578. DOI: 10.17587/mau.19.563–578.

14. Коренев Г. В. Цель и приспособляемость движения / Г. В. Коренев. — М.: Наука (Гл. ред. физ.-мат. лит.), 1974. — 528 с.

15. Попов Е. П. Манипуляционные роботы динамика и алгоритмы / Е. П. Попов, А. Ф. Верещагин, С. Л. Зенкевич. — М.: Наука (Главная редакция физико-математической литературы), 1978. — 400 с.

16. Cataldi E. Set-based inverse kinematics control of an anthropomorphic dual arm aerial manipulator / E. Cataldi, F. Real, A. Suárez, P. A. Di Lillo, F. Pierri, G. Antonelli, F. Caccavale, G. Heredia, A. Ollero // 2019 International Conference on robotics and automation (ICRA). — IEEE, 2019. — Pp. 2960–2966. DOI: 10.1109/ICRA.2019.8793470.

17. Lee H. Constraint-based cooperative control of multiple aerial manipulators for handling an unknown payload / H. Lee, H. J. Kim // IEEE Transactions on Industrial Informatics. — 2017. — Vol. 13. — Is. 6. — Pp. 2780–2790. DOI: 10.1109/TII.2017.2692270.

18. Jimenez-Cano A. E. Modelling and control of an aerial manipulator consisting of an autonomous helicopter equipped with a multi-link robotic arm / A. E. Jimenez-Cano, G. Heredia, M. Bejar, K. Kondak, A. Ollero // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. — 2016. — Vol. 230. — Is. 10. — Pp. 1860–1870. DOI: 10.1177/0954410015619442.

19. Cooper A. About Face 3. The Essentials of Interaction Design / A. Cooper, R. Reimann, D. Cronin. — 3rd edition. — Wiiey, 2007. — 648 p.

20. Raskin J. The humane interface: new directions in the design of computer systems / J. Raskin. — Addison-Wesley Professional, 2000. — 233 p.

21. Тырва В. О. О теоретических основаниях автоматизации процессов управления в системе «человек-машина» / В. О. Тырва // Автоматизация в промышленности. — 2023. — № 1. — С. 47–53. DOI: 10.25728/avtprom.2023.01.08.