Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2021-2025НИР

The analysis and synthesis of dynamics of controlled systems in extremal situations

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2021-2025(2021)
Результаты этапа: 1. Рассмотрена динамика корпуса двухосного четырехколесного аппарата при попадании одного из колес ведущей оси на участок опорной плоскости с меньшим коэффициентом трения. Проанализирован случай, когда в ходе этого движения колеса не теряют сцепление с опорной плоскостью. Модель их контакта учитывает увод в продольном и поперечном направлениях к плоскости симметрии каждого из колес и стабилизирующие моменты. 2. Построена математическая модель движения аппаратов с двумя соосными управляемыми колесами. Проведен анализ стационарных режимов их движения и возможность их стабилизации. Показано, что для моделей с деформируемыми колёсами характерны стационарные режимы с наклонами корпуса вперёд. 3. Для поверки акселерометров носимого регистратора ускорений в условиях орбитального полета предложено использовать штатный измеритель масс, установленный на борту МКС. Рассмотренные алгоритмы используют помимо показаний регистратора данные о движении платформы измерителя масс и обработку записей видеокамеры. Для опробования предложенных алгоритмов в наземных условиях проведены записи имитирующие ситуацию орбитального полета. Предложенные алгоритмы показали погрешность определения масштабных коэффициентов акселерометров порядка 2% 4. Рассмотрена задача о синтезе закона управления, стабилизирующего двойной перевернутый маятник, установленный на качелях seesaw. Качели seesaw представляют собой сегмент цилиндра, ось которого горизонтальна. Ограниченный по абсолютной величине управляющий момент приложен в межзвенном шарнире. Управление, стабилизирующее желаемое неустойчивое положение равновесия, строится в виде обратной связи по двум “неустойчивым” жордановым переменным разомкнутой линеаризованной системы так, чтобы область притяжения системы была, по возможности, максимальной. 5. Проведено сравнение подходов к определению горизонтальных координат центра масс человека, применимых для стабилоанализаторов, которые измеряют только вертикальные составляющие реакций опоры. Известные алгоритмы модифицированы для решения задачи в условиях совершения человеком достаточно интенсивных движений. Рассмотренные модифицированные алгоритмы сравнивались для записей движений обследуемых, выполнявших пробу со ступенчатым отклонением. Продемонстрирована работоспособность модифицированных алгоритмов. 6. Исследована возможность восстановления связи между вестибулярным и глазодвигательным аппаратом с использованием информации о движении глаз и математического моделирования. 7. Разработан робастный непараметрический идентификатор для класса сингулярно возмущенных систем, основанный на дифференциальной нейронной сети с рациональной формой, которая может учитывать быструю и медленную динамику. Показана применимость подобного подхода для решения задачи идентификации и отслеживания динамики платформы опорного типа и динамики центрифуги, которые могут входит в состав динамического пилотажного стенда. 8. Предложены методы построения траектории в задаче динамической имитации для принципиально нового класса стендов-тренажеров на базе промышленного робота-манипулятора. Подобные стенды допускают применение методов имитации, не доступных на центрифугах и стендах типа платформы Стюарта.
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2021-2025(2022)
Результаты этапа: 1. Описано применение математической модели перевернутого маятника для вычисления составляющих механической работы отдельных групп мышц ног в виде интеграла от модуля мощности суммарных моментов, развиваемых антагонистами. Проанализированы корреляции между введенными показателями и показателями, традиционно используемыми в стабилометрии. 2.Рассмотрен метод диффузионного анализа стабилограмм. Известно, что показатели такого анализа реальных данных для фронтали и сагиттали различны, при этом диффузионные функции стабилограмм имеют характерный изгиб. Поставлен вопрос о возможной связи такого различия показателей диффузионного анализа с особенностями работы вестибулярного аппарата, обладающего зоной нечувствительности. 3. Рассмотрена задача стабилизации перевернутого маятника, шарнирно соединенного с площадкой, установленной на вязкоупругом основании. 4. Подготовлено и утверждено техническое задание на целевую работу «Изучение возможности уменьшения отолито-каналового конфликта в невесомости при гальванической стимуляции вестибулярного аппарата». Составлено техническое задание для разработки научной аппаратуры эксперимента на орбите. 5.Осуществлена обработка данных результатов космического эксперимента «Вектор-МБИ-1». В отчетном году были подготовлены экспресс-отчеты и популярная статья по космическому эксперименту «Вектор-МБИ-1». 6. Разработаны модели стенда-тренажера нового типа, основанного на комплексе, состоящем из промышленного робота-манипулятора и шлема виртуальной реальности. Сформулирован метод синхронизации визуальной и динамической имитации.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2021-2025(2023)
Результаты этапа: 1. Построена модель переменной структуры, описывающая этапы движения двухосного четырехколесного аппарата на начальном этапе заноса, развивающегося в результате пробуксовки колес ведущей оси. Проведено исследование модели с использованием асимптотических методов. 2. Рассмотрено движение механических систем в линейном по координатам непотенциальном силовом поле. Исследованы случаи, для которых такую систему можно записать в виде классических уравнений малых колебаний консервативной системы с положительно определенной матрицей при вторых производных обобщенных координат и симметрической матрицей позиционных членов. 3. Рассмотрены модели управляемой стабилизации вертикальной позы для фронтального и сагиттального направлений. Проведен диффузионный анализ для ансамбля реализаций численной модели удержания человеком вертикальной позы. Параметры системы управления скорректированы по итогам сопоставления результатов моделирования с натурными данными. На основе численного моделирования показано, что влияние отолитового органа при спокойном стоянии здорового человека в позе "ноги на ширине плеч" во фронтальной плоскости минимально или отсутствует, в сагиттальной же плоскости существуют значения коэффициента усиления сигнала отолита, при которых становится заметно влияние этой составляющей управления. 4. Модель сокращения саркомера в мышце, разработанная в институте механики МГУ, применена для описания работы скелетных мышц при наклонах корпуса человека. Выделена иерархия малых параметров, позволяющая описывать переход от модели одного саркомера к мышце с использованием разделения быстрого и медленного движений. 5. Метод сравнения разных динамических ситуаций с позиций частотного анализа применен к задаче сравнения условий на Земле и невесомости. В рамках этого метода рассматривалась возможность сопоставления продолжительной активности человека на основе информации, полученной от инерциальных датчиков. Для анализа использовались методы частотного анализа, векторизация данных и последующая кластеризации. Предложен метод моделирования движения головы задачей оптимального управления. Проведен расчёт гарантированной оценки времен срабатывания алгоритмов детектирования начала движения. 6. Продолжена разработка математической модели формирования и передачи вестибулярной информации. Построена стохастическая математическая модель передачи информации от волосковой клетки (с уровня потенциала мембраны волосковой клетки) до образования спайков первичных нейронов. 7. Рассмотрена задача динамической имитации движения лёгкого летательного аппарата на динамическом стенде на базе шестизвенного робота-манипулятора, звенья которого соединены последовательным образом. Подготовлен список воспринимаемых человеком линейных и угловых характеристик движения, определены пороги чувствительности для каждой из них. Рассмотрены несколько различных задач оптимального по быстродействию возврата концевого эффектора в центр рабочей области при наличии ограничений на ускорение, его производную, ограничений на обе величины. Сформирован и обучен автоматический классификатор на основе методов машинного обучения, определяющий выполняемый летательным аппаратом манёвр лишь при наличии инерциальных данных с точностью, превышающей 85%. 8. Проведено математическое моделирование процесса имитации движения для некоторых записанных манёвров летательного аппарата с использованием математической модели промышленного робота-манипулятора FANUC M2000iA 900L, вычислены характерные времена фаз имитации некоторых манёвров, проведено исследование возможностей имитации манёвров летательного аппарата с использованием этого манипулятора. Сделан вывод, что для качественной имитации недостаточно лишь плоскопараллельных движений концевого эффектора, нужно строить более сложные движения, чтобы в том числе увеличить продолжительность фазы имитации, имитировать некоторые стимулы, действующие на чувствительные массы человека во время полёта, и при выполнении фазы возврата. 9. Одной из задач, решаемых при проведении максиминного тестирования качества динамической имитации, является построение области достижимости соответствующей системы. Рассмотрена задача построения границы предельной области достижимости линейной стационарной системы третьего порядка с одним управляющим воздействием, ограниченным по абсолютной величине. Для случая, когда характеристическое уравнение однородной части системы имеет один отрицательный вещественный корень и два комплексно-сопряженных корня с отрицательной вещественной частью, получены конечные параметрические соотношения, задающие границу предельной области достижимости.
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2021-2025(2024)
Результаты этапа: 1. С использованием «велосипедной» модели изучалась динамика двухосного четырехколесного аппарата на начальном этапе заноса, развивающегося в результате блокировки или пробуксовки колес ведущей оси. Для описания взаимодействия колес с опорной плоскостью используются модель трения Кулона, модель бокового увода и неголономная модель. Построена модель переменной структуры, описывающая этапы движения аппарата. Для исследования применяются асимптотические методы и метод фазовой плоскости. 2. Подготовлена книга к 90-летнему юбилею ученого-механика, профессора кафедры прикладной механики и управления МГУ Игоря Васильевича Новожилова — учителя многих научных работников, инженеров и преподавателей, работающих в области теоретической механики, биомеханики, механики гироскопических, аэрокосмических, транспортных систем, мехатроники и робототехники. Ее цель — вспомнить нашего талантливого современника, напомнить о его трудах и достижениях, рассказать о его научной школе, показать его жизненный путь и познакомить с ним молодых читателей. Книга предназначена для научных работников, инженеров, преподавателей, студентов и аспирантов, интересующихся теоретической и прикладной механикой, а также историей отечественной науки и техники. 3. Рассмотрена модель удержания человеком равновесия при фронтальной ориентации качелей балансира (seesaw). Управлением является ограниченный по величине суммарный момент в тазобедренных суставах. Построена область управляемости линеаризованной системы при наличии ограничений управляющего момента. Построено управление, максимизирующее область притяжения системы при наличии ограничений управляющего момента. Исследованы свойства решений системы. 4. Описан подход к количественной оценке изменения восприятия человеком виртуальной реальности. Проведена серия тестов, в ходе которых человек поддерживал вертикальную позу, стоя на платформе стабилоанализатора, как стоя на обычной твердой поверхности (платформе стабилоанализатора), так и на податливом основании в виде пластины пенополиуретана. 5. Продолжена разработка алгоритмов динамической имитации для стендов-тренажеров нового типа. Предложен алгоритм для стенда-тренажера, построенного на базе робота-манипулятора, позволяющий осуществлять для плоских движений одновременную имитацию как заданного вектора перегрузки, так и заданной угловой скорости. Разработан алгоритм стабилизации движения звеньев динамического стенда в виде нестационарной линейной обратной связи по отклонениям от программной траектории. 6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования в области технологий виртуальной и дополненной реальности для пилотажного стенда нового типа. Разработана технология применения элементов искусственного интеллекта для оценки качества визуальной стабилизации при когнитивной и гальванической коррекции установки взора пилота.
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2021-2025(2025)
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. project_report_23g_TEQCMo7.pdf project_report_23g_TEQCMo7.pdf 52,7 КБ 20 декабря 2023 [lemaks]
2. project_report_23g.pdf project_report_23g.pdf 52,7 КБ 20 декабря 2023 [lemaks]
3. project_report_23g_auJV7lF.pdf project_report_23g_auJV7lF.pdf 52,7 КБ 20 декабря 2023 [lemaks]