Унификация средств инженерной поддержки на примере модельно-ориентированного проектирования системы управления торможением мобильной платформы

Аннотация

В работе представлена модель и результаты моделирования торможения мобильной платформы для использования в качестве инструментального средства при разработке и отладке алгоритмов интеллектуального управления торможением мобильных роботов. В ходе исследования формализована математическая модель динамики торможения платформы и представлена в виде трех составляющих: модель объекта управления и внешней среды, модель движения и алгоритма управления торможением. Посредством настроек модель эмулирует различные параметры и состояния, как объекта управления, так и внешней среды, связывает ключевые параметры движения: расстояние до препятствия, скорость платформы и степень активации системы торможения. В целом модель представляет собой унифицированный цифровой двойник системы торможения колесной платформы, который, посредством настроек, может быть приближен к реальным техническим характеристикам и условиям эксплуатации, позволяя тестировать алгоритмы управления в условиях отсутствия априорной информации об объекте управления и внешней среде. Для демонстрации возможностей инструментального средства использован алгоритм нечеткого контроллера с различными вариантами настроек функций принадлежностей и правил продукций. Результаты моделирования позволяют осуществлять сравнительный качественный анализ плавности и рисков процесса торможения, количественный анализ алгоритмов управления, выявлять уровень устойчивости алгоритмов к различным условиям внешней среды и техническим ограничениям объекта моделирования. Разработанный аппарат модельно-ориентированного проектирования алгоритмов управления торможением позволяет повысить эффективность разработки и первичной валидации алгоритмов в условиях отсутствия конкретных количественных зависимостей параметров в области исследования, сокращая потребность в дорогостоящих натурных испытаниях на ранних этапах разработки.

Abstract

This paper presents a model and simulation results of the braking process of a mobile platform intended for use as an instrumental tool in the development and tuning of intelligent braking control algorithms for mobile robots. In the course of the study, a mathematical model of the platform braking dynamics is formalized and represented as three components: a model of the control object and the external environment, a motion model, and the braking control algorithm itself. Through parameter tuning, the model emulates various parameters and states of both the control object and the external environment, and links the key motion parameters, namely the distance to an obstacle, the platform velocity, and the degree of activation of the braking system. Overall, the proposed model represents a unified digital twin of the braking system of a wheeled platform which, through parameter adjustment, can be approximated to real technical characteristics and operating conditions, thereby enabling testing of control algorithms under conditions of absence of a priori information about the control object and the external environment. To demonstrate the capabilities of the proposed instrumental tool, a fuzzy controller algorithm with various configurations of membership functions and production rules is employed. The simulation results enable comparative qualitative analysis of braking smoothness and risk, quantitative analysis of control algorithms, and assessment of the robustness of algorithms with respect to different environmental conditions and technical constraints of the modeled object. The developed model-based design framework for braking control algorithms improves the efficiency of algorithm development and primary validation in the absence of explicit quantitative parameter dependencies in the research domain, while reducing the need for costly full-scale experimental testing at early stages of development.