Характеристика образовательного модуля

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Образовательный модуль «Современные методы планирования и управления движением неполноприводных механических систем»

Код направления подготовки:

01.04.02 Прикладная математика и информатика

01.04.03 Механика и математическое моделирование

01.04.04 Прикладная математика

02.04.01 Математика и компьютерные науки

03.04.01 Прикладные математика и физика

09.04.04 Программная инженерия

15.04.03 Прикладная механика

15.04.04 Автоматизация технологических процессов и производств

15.04.06 Мехатроника и робототехника

16.04.01 Техническая физика

24.04.02 Системы управления движением и навигация

27.04.04 Управление в технических системах

1. Форма и критерии отбора обучающихся для освоения образовательного модуля:

1.1. Входные компетенции, оцениваемые на этапе отбора, включая минимальный уровень образования, предметная область.

Образовательный модуль предназначен для студентов магистратуры и аспирантов, знакомых с основами теории управления, теории дифференциальных уравнений, теоретической механики, робототехники, линейной алгебры и анализа,владеющих навыками программирования на языках высокого уровня.

Минимальный уровень образования: успешное окончание 1 и 2 курсов по перечисленным направлениям подготовки.

Тематика образовательного модуля соответствует следующим укрупненным группам специальностей:

- 01.00.00 Математика и механика

- 02.00.00 Компьютерные и информационные науки

- 03.00.00 Физика и астрономия

- 09.00.00 Информатика и вычислительная техника

- 15.00.00 Машиностроение

- 16.00.00 Физико-техническиенауки и технологии

- 24.00.00 Авиационная и ракетно-космическая техника

- 27.00.00 Управление в технических системах

1.2. Форма организации отбора участников.

Конкурс Резюме на участие в модуле. В Резюме указывается успеваемость по предметам программы обучения, участие в научно-исследовательской деятельности, научные публикации, выступления на конференциях.

1.3. Задания для проведения отбора обучающихся.

Нет.

2. Характеристика образовательного модуля

2.1. Название образовательного модуля: Школа-семинар «Современные методы планирования и управления движением неполноприводных механических систем»

2.2. Научный центр (научная лаборатория Университета): Центр информационных технологий и искусственного интеллекта

2.3. Направление научно-технологической деятельности Университета: 01.04.02 Прикладная математика и информатика

2.4. Инициатор (руководитель образовательного модуля): Ширяев Антон Станиславович, к..ф-м.н., профессор

2.5. Партнеры образовательного модуля:

2.5.1. Образовательные организации высшего образования:

2.5.2. Научные организации:

2.5.3. Высокотехнологичные компании.

2.6. Аннотация, включая цели и задачи образовательного модуля, исследовательские/научно-технологические задачи, решаемые в рамках образовательного модуля, планируемые результаты обучения, описание взаимосвязи образовательного модуля с другими, реализующимися в Университете образовательными модулями, курсами, программами, научными исследованиями и проектами, а также место образовательного модуля в структуре образовательных программ высшего образования. Предполагаемый объем (з.е.).

Цели образовательного модуля:

Основная цель курса – получение знаний и навыков для самостоятельного исследования нелинейных механических систем, оборудованных приводами, для определения их функционала, т.е. библиотек реализуемых вынужденных движений, и определения регуляторов, обеспечивающих повторяемость найденных движений и нечувствительность замкнутых систем к помехам и к параметрической неопределенности в малом. Основная цель курса достигается при помощи

- изучения методов моделирования и идентификации робототехнических систем;

- знакомства с методами и алгоритмами поиска и представления вынужденных движений механических систем, на поведение которых наложены динамические ограничения;

- знакомства с методами и алгоритмами синтеза обратной связи для орбитальной стабилизации вынужденных движений механических систем;

- формирования на базе материала навыков и умений по разработке приложений, решению и исследованию неполноприводных механических систем, включая набор манипуляционных задач по управлению движением тел рукой робота при неудерживающем контакте.

Задачи модуля:

- овладение знаниями, необходимыми для моделирования динамики механических систем с конечным числом степеней свободы, знакомство с методами идентификации и калибровки кинематических и динамических параметров управляемой механической системы, иллюстрация и закрепление знаний на практических примерах;

- овладение знаниями и навыками, необходимыми для организации поиска и конечномерной параметризации вынужденных движений неполноприводных робототехнических систем, обладающих одной пассивной степенью свободы;

- овладение знаниями и навыками, необходимыми для синтеза обратной связи, обеспечивающей орбитальной стабилизацию вынужденного движения неполноприводной механической системы;

- овладение знаниями и навыками, позволяющими реализацию методов планирования и управления перекатыванием пассивного тела по руке робота в эксперименте;

- знакомство с современными задачами и численными методами, возникающими и используемыми при орбитальной стабилизации вынужденных движений неполноприводных робототехнических систем;

- знакомство с задачами отслеживания и управления силой, возникающей в контакте между робототехническим устройством и внешним объектом или средой;

- вовлечение участников курса в научно-исследовательскую работу по тематике.

Планируемые результаты обучения:

По окончанию обучения на модуле обучающийся должен:

- знать основные понятия, подходы и методы аналитической механики, робототехники и теории управления, применяемые в задачах планирования и управления движением механической системы, удовлетворяющих заданным кинематическим и динамическим ограничениями;

- уметь выводить модель динамики нелинейной механической системы с ограничениями,записанной как в обобщенных итак и в избыточных наборах координат;

- уметь определять по модели динамики,полученной с учетом ограничений, наборы реализуемых вынужденных движений, совместимых с ограничениями;

- уметь определять по модели динамики системы и по ее вынужденному движению наборы трансверсальных координат, их динамику и их поведение в первом приближении (линеаризацию) в окрестности номинального движения;

- уметь синтезировать обратную связь для стабилизации поведения трансверсальных координат в окрестности номинальноговынужденного движения, полученного по модели динамики робототехнической системы;

- уметь применять методы поиска движений, определения трансверсальных координат и синтеза регулятора для стабилизации трансверсальной динамики при разработке робототехнических приложений.

Аннотация. Образовательный модуль состоит из четырех блоков:

1. Современные методы исследования устойчивости движения робототехнической системы.

2. Численные и аналитические методы поиска и компактного представления вынужденных движений неполноприводных механических систем.

3. Численные и аналитические методы синтеза обратной связи для орбитальной стабилизации вынужденных движений неполноприводных механических систем.

4. Исследование отдельных задач по управлению движением неполноприводных робототехнических систем.

В рамках первого блока образовательного модуляпредлагается знакомство участников с современными методами моделирования широкого класса робототехнических систем, часть степеней свободы которых оборудованы приводами для формирования возмущенных движений системы и для их стабилизации.А именно, рассматриваются те робототехнические системы, чья невозмущенная динамика может быть описана уравнениями Лагранжа первого рода. Приводятся методы вывода модели динамики таких систем при различных типах ограничений, обсуждаются методы идентификации и калибровки параметров моделей робототехнических систем.Вводятся и обсуждаются понятия устойчивости решения дифференциального уравнения по Ляпунову, Пуанкаре и Жуковскому, а также критерии устойчивости движения невозмущенных механических систем. Вводятся и обсуждаются понятия трансверсальной динамики и трансверсальной линеаризации для решения дифференциального уравнения; обсуждаются вычислительные процедуры задания координат на подвижных площадках Пуанкаре и определения трансверсальной линеаризации. Обсуждаются результаты Ляпунова и Пуанкаре по исследованию свойств автономных систем второго порядка в окрестности стационарного и периодического решения. Понятия и методы проиллюстрированы примерами различной степени сложности и используются при организации и проведении численных и натурных экспериментовна робототехническом комплексе "Бабочка."

Второй блок образовательного модуля предлагает знакомство с современными методами и подходами в решении задачи поиска и представления реализуемых вынужденных движений неполноприводной механической системы. Здесь, помимо классических алгоритмов определения вынужденного движения при помощи численного интегрирования модели динамики (shootingmethods), обсуждаются аналитические методы определения вынужденных движений. В частности, детально исследуется метод альтернативной записи вынужденного движения, при котором поведение всех координат механической системы на номинальном движение записывается в форме набора функций от одной скалярной переменной, называемой генератором движения.В курсе предлагается анализ свойств такого “составного” представления вынужденного движения,а также его использование в процессе поиска и конечномерной параметризации библиотек вынужденных движений системы, совместимых,как с континуальным набором динамических ограничений в силу неполноприводности,так и с характеристиками искомого движения системы. Понятия, алгоритмы и методы проиллюстрированы примерами различной степени сложности и используются при организации и проведении численных и натурных экспериментов.

Третий блок образовательного модуляпредлагает знакомство участников с методами синтеза обратной связи для регулирования трансверсальной динамики нелинейной механической системы в окрестности ее вынужденного решения.Обсуждаются процедуры определения минимальных и избыточных наборов трансверсальных переменных, определяемых по номинальному вынужденному движению робототехнической системы; описываются численные алгоритмы и аналитические методы определения линеаризации трансверсальной динамики.Предлагается детальное исследование полученных линейных систем управления, описывающих в первом приближении трансверсальную динамику нелинейной механической системы в окрестности номинального вынужденного движения. В простейшем нетривиальном случае, когда номинальным вынужденным поведением нелинейной механической системы является цикл, трансверсальная линеаризация представляет собой линейную систему управления с периодическими коэффициентами.В курсе обсуждаются их основные свойства, такие как управляемость, наблюдаемость, определение инвариантных подпространств, а также аналитические и численные методы их регулирования и стабилизации по обратной связи при помощи решения задач оптимального управления и за счет формирования скользящего режима. Приводятся алгоритмы определения регулятора для нелинейной механической системы по регулятору, построенному для стабилизации трансверсальной линеаризации этой нелинейной системы, вычисленной в окрестности номинального вынужденного движения. Помимо случая гладких нелинейных механических систем обсуждается способ вычисления трансверсальной линеаризации для нелинейных систем с переключением. Последние возникают в приложениях либо за счет наличия ударных сил, как, например, при стабилизации походки шагающего механизма, который испытывает такие силы на каждом шаге при соприкосновении стопы с полом, либо за счет сценария работы робота, при котором скачком меняется количество координат системы, как, например, при касании твердых тел, или за счет уже "импульсного" управляющего воздействия, которое, время от времени, требуется для сколько угодно быстрого перевода системы из одного состояния в другое. Понятия, алгоритмы и методы проиллюстрированы примерами различной степени сложности и используются при организации и проведении численных и натурных экспериментов.

Четвертый блок образовательного модуля посвящен специальным исследовательским задачами в тематике и обсуждению робототехнических приложений, где использование предлагаемых подходов к планированию и управлению движений механической системы привело к разработке прорывных решений. В частности, слушателям предлагается познакомиться с задачами динамического манипулирования и подходами к автоматизации тех операций, где рука робота - по дизайну или в силу описания желаемого поведения - не может полностью захватить и обездвижить объект манипулирования. Допуская проскальзывание или перекатывание объекта по руке робота, описание динамики совокупной системы, включающего и робот и тело двигающееся по его руке, приводит к уравнениям неполноприводной механической системы с ограничениями. Такой процесс реализуется в экспериментах проводимых на роботе "Бабочка", где пассивный объект (шарик) перекатывается по руке роботе. Слушатели знакомятся с моделью динамики системы, с методами поиска и представления реализуемых перекатываний, с методами стабилизации трансверсальной динамики для номинального поведения и шагам по организации эксперимента на оборудовании. Динамическое манипулирование включает в себя также задачу управления силой в контакте между телами. Последняя представляет особый интерес во многих других робототехнических приложения и предлагается к обсуждению в курсе. В конце программы модуля слушатели познакомятся с примерами использования методов ИИ при решении исследуемых задач.

Курс предполагает возможность в дальнейшем самостоятельного решения участниками модуля практических научно-исследовательских задач на основе предложенных аналитических и численных методов.

Взаимосвязь образовательного модуля с другими, реализующимися в Университете образовательными модулями, курсами, программами, научными исследованиями и проектами:модуль связан с другими научными проектами и мероприятиями в рамках направления научно-технологической деятельности Университета «Моделирование сложных физических процессов» и является составной частью программы образовательных и научно-исследовательских мероприятий Центра и информационных технологий и искусственного интеллекта.

Место образовательного модуля в структуре образовательных программ высшего образования: может быть спецкурсом по направлению подготовки

- 01.04.01 Фундаментальные математика и механика и/или

- 01.04.01 Математика, и/или

- 11.04.01 Радиотехника, и/или

- 11.04.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи и/или

- 01.04.02 Прикладная математика и информатика

Предполагаемый объем: 3з.е. (108 часов, из которых 28 часов – проектная работа)

12 Следующая ⇒