Управление движением систем взаимодействующих твердых тел

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-11-00128

НазваниеУправление движением систем взаимодействующих твердых тел

Руководитель Черноусько Феликс Леонидович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-316 - Методы математического моделирования, оценивания и управления механическими и биомеханическими системами

Ключевые слова Динамика систем, управление движением, оптимизация, системы с управляемой конфигурацией, мобильные роботы.

Код ГРНТИ30.15.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку принципов и методов управления системами, состоящими из нескольких твердых взаимодействующих тел. К таким системам относятся мобильные роботы, различные транспортные средства, космические и подводные аппараты. Актуально изучение перспективного класса мобильных роботов, движущихся в сопротивляющейся среде за счет целенаправленного изменения конфигурации, в том числе капсульных роботов, состоящих из корпуса и подвижных внутренних масс, а также систем тел, взаимодействующих друг с другом и со средой. Капсульные роботы широко исследуются в современной научной литературе, их востребованность связана с возможностью использования в сложных условиях, в агрессивных и ранимых средах, в медицинских целях. Для управления движениями рассматриваемых систем будут разработаны новые эффективные методы управления, при этом будут оцениваться и оптимизироваться время управления, энергозатраты, средняя скорость движения, а также будет приниматься во внимание простота реализации движения. Пространственные движения капсульных систем и систем с изменяемой конфигурацией мало изучены к настоящему времени. Проблемы управления такими системами актуальны как в фундаментально-научном отношении, так и для различных инженерных приложений, транспортных, космических, подводных и иных мобильных систем. Представляет интерес построение законов управления движением и тягой колёсных роботов, двигающихся на пределе физических возможностей, с проскальзыванием колес или на грани проскальзывания. Будут решаться задачи траекторной оптимизации и создания оптимальной тяги в случае резкого маневрирования робота при неожиданном возникновении препятствия. Для эффективного управления колебаниями элементов конструкции мобильных роботов будут использоваться и развиваться методы оптимального управления. Тематика проекта представляется актуальной, поскольку робототехника и механика систем многих тел являются активно развивающимися научными направлениями. Проект направлен на решение принципиально новых задач управления перспективными робототехническими системами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Решмин С.А. Оптимальное управление силой тяги при скоростном маневрировании в условиях сухого трения Прикладная математика и механика, Т. 87, Вып. 4, С. 604–617. (год публикации - 2023)
10.31857/S0032823523040112

2. Васенин С.А., Решмин С.А. Оптимальное подавление колебаний в задаче раскручивания двухмассовой системы Известия РАН. Теория и системы управления, № 6, С. 67–80. (год публикации - 2023)
10.31857/S0002338823060112

3. Васенин С.А., Решмин С.А. Управление подавлением радиальных колебаний двухмассовой системы с одновременным ее раскручиванием Прикладная математика и механика, Т. 87, № 6, С. 970–983. (год публикации - 2023)
10.31857/S0032823523060097

4. Решмин С.А., Бектыбаева М.Т. Эффективное управление направлением тяги при скоростном маневре в плоскости Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования, Т. 24, № 3, С. 233–240. (год публикации - 2023)
10.22363/2312-8143-2023-24-3-233-240

5. Черноусько Ф.Л. Оптимизация движения тела с внутренней массой при квадратичном сопротивлении Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, том 513 с. 80-86 (год публикации - 2023)
10.31857/S2686740023060044

6. А. М. Шматков ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ПЕРЕОРИЕНТАЦИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПОСРЕДСТВОМ ПОДВИЖНОЙ МАССЫ ПРИ НАЛИЧИИ ВНЕШНИХ СИЛ, ЗАДАННЫХ КАК ФУНКЦИИ ВРЕМЕНИ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, ДАН 2024. Т. 517. С. 149-155. (год публикации - 2024)
10.31857/S2686740024040098

7. Т.А.Мосенков, Т.Ю.Фигурина On the Movement of Two Interacting Bodies in a Medium with Quadratic Resistance Journal of Computer and Systems Sciences International, Vol.63, pp.417-423 (год публикации - 2024)
10.1134/S1064230724700308

8. Решмин С.А., Бектыбаева М.Т. Эффективное управление направлением тяги при скоростном манёвре в плоскости XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике : сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. В 4 т. Т. 1. Общая и прикладная механика. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. – 668 с., С. 44-47 (год публикации - 2023)

9. Черноусько Ф.Л. Динамика и оптимизация мобильных систем с управляемой конфигурацией Международная конференция «Динамические системы: устойчивость, управление, дифференциальные игры» (SCDG2024), посвященная 100-летию со дня рождения академика Н.Н. Красовского 9–13 сентября 2024 г., Екатеринбург, с.387-389 (год публикации - 2024)

10. Решмин С.А., Бектыбаева М.Т. Модификация закона линейного тангенса при разгоне мобильного робота с боковым движением в режиме дрифта Труды 66-й Всероссийской научной конференции МФТИ, 1–6 апреля 2024 г. Аэро-космические технологии. — М: Физматкнига, 2024. — 286 с., С. 22-24 (год публикации - 2024)

11. Решмин С.А., Бектыбаева М.Т. Учет фазового ограничения при управлении разгоном динамического объекта по модифицированному закону линейного тангенса Труды Института математики и механики УрО РАН, Т. 30, № 2, С. 152–163. (год публикации - 2024)
10.21538/0134-4889-2024-30-2-152-163

12. Решмин С.А., Бектыбаева М.Т. Учет фазовых ограничений при интенсивном разгоне мобильного робота и его движении в режиме дрифта Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления , Т. 515, № 1, С. 50–59. (год публикации - 2024)
10.31857/S2686954324010087

13. Решмин С.А., Бектыбаева М.Т. Моделирование оптимального движения мобильного робота при интенсивном разгоне с боковым заносом Фундаментальные и прикладные задачи механики: международная научная конференция (Москва, 5–8 декабря 2023 года) : материалы конференции = Fundamental and Applied Problems of Mechanics (FAPM-2023): International Scientific Conference (Moscow, 5–8 December, 2023) : The Materials of the Conference / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)». — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2024. — 466, [2] : ил., С. 40-41 (год публикации - 2024)

14. Решмин С.А., Бектыбаева М.Т. Применение принципа оптимальности Беллмана к закону линейного тангенса Труды 66-й Всероссийской научной конференции МФТИ, 1–6 апреля 2024 г. Аэрокосмические технологии. — М: Физматкнига, 2024. — 286 с., С. 20-22 (год публикации - 2024)

15. Глазков Т.В., Черноусько Ф.Л. Оптимальное движение тела, управляемого посредством внутренней массы, в среде с сопротивлением. ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА, Том 8, номер 1, год 2024, страницы 53-66 (год публикации - 2024)
10.31857/S0032823524010046

16. Черноусько Ф.Л., Болотник Н.Н. Dynamics of Mobile Systems with Controlled Configuration. Springer Nature, Singapore, P.457 (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-97-1825-2

17. Т.А. Мосенков, Т.Ю. Фигурина УПРАВЛЕНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНЫМ ДВИЖЕНИЕМ СИСТЕМЫ ДВУХ ТЕЛ В ВЯЗКОЙ СРЕДЕ XIV ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (ВСПУ-2024) : сборник научных трудов, 17-20 июня 2024 г., Москва / Под общ. ред. Д.А. Новикова; Ин-т Проблем упр. им. В.А. Трапезникова Рос. акад. наук. – Электрон. текстовые дан. (824 файла: 433 МБ). – М.: ИПУ РАН, 2024. – 4160 с. , с. 848-852 (год публикации - 2024)

18. Т. В. Глазков, Ф.Л. Черноусько ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ В ЖИДКОСТИ ТЕЛА, УПРАВЛЯЕМОГО СИЛОЙ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ВНУТРЕННЕЙ МАССОЙ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 518 (год публикации - 2024)

19. Черноусько Ф.Л. Оптимизация движения тела, управляемого посредством внутренней массы, при наличии внешнего сопротивления XIV ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (ВСПУ-2024) : сборник научных трудов, 17-20 июня 2024 г., Москва / Под общ. ред. Д.А. Новикова; Ин-т Проблем упр. им. В.А. Трапезникова Рос. акад. наук. – Электрон. текстовые дан. (824 файла: 433 МБ). – М.: ИПУ РАН, 2024. – 4160 с., c.831-833 (год публикации - 2024)

20. Решмин С.А., Бектыбаева М.Т. Уход от столкновения при управлении тягой мобильного робота по модифицированному закону линейного тангенса XIV ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (ВСПУ-2024) : сборник научных трудов, 17-20 июня 2024 г., Москва / Под общ. ред. Д.А. Новикова; Ин-т Проблем упр. им. В.А. Трапезникова Рос. акад. наук. – Электрон. текстовые дан. (824 файла: 433 МБ). – М.: ИПУ РАН, 2024. – 4160 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: Pentium 4; 1,3 ГГц и выше; Windows 7/8 и выше; Acrobat Reader 4.0 или выше. – Загл. с экрана. – ISBN 978-5-91450-276-5. – № госрегистрации 0322402930 – Текст: электронный., С. 1650–1654 (год публикации - 2024)

21. Васенин С.А., Решмин С.А. Управление колебаниями двухмассовой системы с одновременным ее раскручиванием Фундаментальные и прикладные задачи механики: международная научная конференция (Москва, 5–8 декабря 2023 года) : материалы конференции = Fundamental and Applied Problems of Mechanics (FAPM-2023): International Scientific Conference (Moscow, 5–8 December, 2023) : The Materials of the Conference / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)». — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2024. — 466, [2] : ил., С. 45-46 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Завершена работа над монографией F.L. Chernousko, N.N. Bolotnik. Dynamics of Mobile Systems with Controlled Configuration. Singapore, Springer Nature, 2024, 457 p., подытоживающей исследования авторов и их коллег по динамике и управлению движением мобильных систем с точки зрения биомеханики и робототехники. Проведен анализ движения в различных средах многозвенных механических систем с управляемой конфигурацией, имитирующих перемещения живых организмов (рыб, некоторых животных и насекомых), а также не имеющих аналогов в живой природе. В частности, рассмотрены капсульные роботы, движение которых управляется посредством внутренних подвижных масс. Исследованы условия управляемости, построены оптимальные режимы движения. Исследовано периодическое поступательное движение механической системы, состоящей из корпуса и внутренней массы и управляемой посредством движений массы относительно корпуса, в среде с квадратичным сопротивлением. Величина коэффициента сопротивления среды зависит от направления движения. Рассмотрены случаи кинематического и динамического управления внутренним телом. При кинематическом управлении управляющим воздействием служит скорость движения внутренней массы относительно корпуса. Для этого случая построены периодические движения системы и оценена средняя скорость ее перемещения. При фиксированном и нефиксированном периоде движения найдено значение максимальной средней скорости за период и исследовано ее поведение в зависимости от конструктивных параметров. При динамическом управлении управляющим воздействием выступает сила взаимодействия внутренней массы с корпусом. Для этого случая построены и проанализированы управляемые движения с периодическим изменением скоростей, и оценена средняя скорость перемещения системы. Рассмотрена и решена задача оптимизации движения полноприводного колесного робота при резком изменении направления траектории из-за появления на пути препятствия (протяженной стенки). В основу оптимального управления скоростным маневром положен так называемый закон линейного тангенса. Предполагается, что после резкого изменения ориентации корпуса сохраняется его боковое движение с проскальзыванием колес, однако корпус уже повернут в нужном направлении (параллелен границе препятствия), угловое вращение корпуса вокруг вертикальной оси прекратилось, и передние колеса выровнены, т.е. не повернуты относительно корпуса. Таким образом, есть возможность набирать продольную скорость, не изменяя направления колес, двигаясь сначала вбок в режиме дрифта. Решена задача о максимизации продольной скорости робота при условии отсутствия столкновения с препятствием. Результаты решения этой задачи оптимального управления могут использоваться в алгоритмах управления быстрыми колесными роботами и беспилотными транспортными средствами, например во время их участия в соревнованиях. Актуальность рассматриваемых задач обусловлена нынешним бурным развитием беспилотных моделей робототехнических систем. Исследовано пространственное движение механической системы, состоящей из взаимодействующих друг с другом твёрдого тела и подвижной точечной массы, в присутствии внешних сил, действующих на систему. Решена задача о построении траектории, при движении точечной массы по которой, твёрдое тело под действием сил взаимодействия с этой массой меняет свою ориентацию в пространстве по заданной программе. Предполагается, что внешние силы заданы как функции времени. Получена разрешённая относительно производных система из трёх обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, позволяющая решить задачу. Также стало возможным исследование особых случаев и построение соответствующих систем уравнений, дающих возможность найти искомое движение материальной точки для любых начальных условий. Полученные соотношения можно использовать для управления космическими аппаратами и робототехническими системами. Исследовано движение системы трех взаимодействующих точечных тел по плоскости с вязким (квадратичным) трением. Предполагалось, что в начале движения тела покоятся и не находятся на одной прямой, а силы взаимодействия между телами не ограничены. В случае, когда хотя бы для одной пары тел отношения квадратов масс к коэффициентам сопротивления среды различны, доказана управляемость системы и построен алгоритм, приводящий тела системы в заданные положения на плоскости с нулевыми скоростями. В случае, когда для всех трех тел эти отношения равны, построен алгоритм, приводящий тела системы в сколь угодно малые окрестности заданных конечных положений. Информационных ресурсов в сети Интернет, посвященных проекту, не создано.

Публикации