Гетерогенные киберфизические системы управления на основе цифровых двойников востребованы Индустрией 4.0. В соответствии с современной методологией системной инженерии такие системы проектируются на уровне цифровых моделей. В статье предложены подходы к формализации и последующей автоматизации решения задач их проектирования в прямой и обратной постановке. В целях унифицированного описания разнородных составных частей применяется подход к проектированию в разрезе точек зрения на систему, соответствующий международному стандарту ISO/IEC/ IEEE 42010. Следуя современным тенденциям, в качестве математического аппарата для формального описания и решения задач проектирования используется теория категорий — раздел высшей алгебры, направленный на унифицированное представление объектов различной природы и взаимосвязей между ними. Пространство проектирования гетерогенных киберфизических систем строится как подкатегория в категории мультизапятой, объекты которой описывают возможные архитектуры систем с заданной схемой структурной иерархии, представленные с той или иной точки зрения в виде диаграмм, а морфизмы отвечают действиям по подбору и замене составных частей. Категорию мультизапятой можно построить с помощью универсальных конструкций произведения, экспоненты и декартова квадрата, что позволяет установить ряд ее свойств. Прямые задачи проектирования заключаются в оценке свойств системы как целого по архитектуре и решаются с помощью универсальной теоретико-категорной конструкции копредела диаграммы. Решение обратных задач, требующих найти для системы варианты архитектуры, (суб-, Парето-) оптимальные по критериям потребительского качества, состоит в реконструкции диаграмм по ребрам их копределов. Описаны на языке теории категорий и проиллюстрированы типовые приемы сборки киберфизических систем, такие как модульная компоновки и аспектное связывание. В качестве примера приведено проектирование энергоэффективных роботизированных производственных линий, представленных с точки зрения поведения в виде дискретно-событийных имитационных моделей.

Сложность решения задачи синтеза замкнутых систем управления, оптимальных по быстродействию, многократно, стремительно возрастает с увеличением порядка n объекта управления (известная проблема "проклятия размерности" Р. Беллмана). Поэтому для линейных объектов высокого порядка (n l 4) практически неизвестны точные, аналитические алгоритмы управления по критерию быстродействии, и для них применяются приближенные быстродействующие законы управления. В работе предлагается подход, на основе которого разрабатываются аналитического характера методики синтеза быстродействующих систем высокого порядка, использующие идею преобразования исходной задачи быстродействия к аналогичной задаче управления для объектов первого или второго порядка, для которых известны оптимальные по быстродействию алгоритмы управления. Данные алгоритмы лежат в основе предлагаемого подхода к синтезу быстродействующих систем управления, который предполагает нахождение специальных функций, описывающих связь фазовых координат моделей объекта низкого порядка (они по аналогии с работами А. А. Колесникова называются агрегированными или макропеременными) с фазовыми координатами исходного объекта высокого порядка, а также расчет параметров используемых моделей низкого порядка, которые обеспечивают в определенном смысле их адекватность исходному объекту и соответственно высокое быстродействие синтезируемых систем. В работе различаются условная и приближенная адекватность моделей объекта управления. В случае условной адекватности параметры моделей низкого порядка находятся точно с использованием собственных чисел и векторов исходного объекта, а при приближенной адекватности — с применением метода наименьших квадратов. В первой части работы используются две модели первого порядка (условно и приближенно адекватные), на основе которых разрабатываются две методики синтеза быстродействующих регуляторов. Сформулированы условия применимости данных методик. Основное содержание первой части работы посвящено результатам сравнительного анализа свойств быстродействующих регуляторов, получаемых применением предложенных методик синтеза.

В настоящее время активно развивающимся разделом медицины являются стереотаксические операции на головном мозге. В ходе этих операций в мозг через отверстие в черепе вводится специальная игла. Эта игла перемещается в ткани мозга таким образом, чтобы ее кончик достиг определенной точки, после чего выполняется необходимая медицинская манипуляция (например, взятие пункции). Для обеспечения точности позиционирования иглы целесообразно контролировать ход операции с помощью аппарата магнитно-резонансной томографии. Это накладывает ограничения на тип приводов, которые можно использовать для управления иглой. В работе рассмотрена задача об управлении внедрением иглы цилиндрической формы в фантом головного мозга, причем управляющая сила формируется с помощью пьезоэлектрического привода (ПЭП). Для описания взаимодействия иглы с тканью предложена феноменологическая модель, в рамках которой предполагается, что ткань фантома представляет собой вязкоупругий и пластический материал, а также обладает релаксационными свойствами. При описании сил, действующих на боковую поверхность иглы со стороны ткани, учитывается наличие сухого трения. Предложенная модель содержит ряд параметров, которые идентифицируются на основе экспериментов, проведенных в Национальном университете Cheng Kung (Тайвань). В ходе этих экспериментов стандартная игла для биопсии внедрялась в фантом, изготовленный из раствора агар-агара, причем регистрировались положение иглы и сила, действующая на нее со стороны ткани. Показано, что результаты экспериментов достаточно хорошо согласуются с расчетами в рамках модели. Предложен алгоритм управления иглой путем задания частоты возбуждения ПЭП. Целью управления является внедрение иглы на заданную глубину с заданной постоянной скоростью с последующим удержанием иглы на этой глубине. При этом требуется избежать перерегулирования по скорости и положению. Проведено численное моделирование. Исследовано влияние параметров обратной связи на характер процесса. Показано, что при надлежащем выборе параметров удается избежать перерегулирования.

Статья посвящена вопросам сохранения динамической точности управления рабочих инструментов многостепенных манипуляторов (ММ) при их перемещениях по произвольным пространственным траекториям с учетом конструктивных ограничений во всех степенях подвижности и особых случаев расположения их звеньев.
Во второй части статьи рассмотрен метод, который за счет введения дополнительной (избыточной) степени подвижности ММ, обеспечивающей его перемещение вблизи объектов работ, не допускает вход манипулятора в заранее непредсказуемые особые положения, выход рабочих инструментов на границы его рабочей области, а также выход некоторых его степеней подвижности на ограничения, приводящие к резкому снижению точности работы манипулятора в процессе выполнения любых технологических операций при заранее неизвестных траекториях движения. На основе этого метода синтезирована система, которая позволяет автоматически формировать программные сигналы для всех степеней подвижности ММ с учетом текущих программных положений и ориентаций рабочих инструментов, заданных в абсолютной системе координат, не создавая аварийные ситуации и поддерживая высокое качество выполняемых предписанных операций и работ. Выполненное моделирование подтвердило работоспособность и высокую эффективность предложенного метода.

Обсуждается проблема повышения качества воспроизведения окружающей среды системой кругового обзора мобильного робота, работающей в режиме дополненной реальности. Рассматривается вариант системы кругового обзора на базе системы телевизионных камер с перекрывающимися полями зрения. Разработана виртуальная модель, включающая в себя 3D-CAD модели мобильного робота и окружающих объектов, а также виртуальные модели телевизионных камер. Для реализации модели выбрана кроссплатформенная интегрированная среда разработки "Unity". Определены методы решения задачи отображения окружающего пространства в режиме построения вида "от третьего лица". Предложен математический критерий оценки качества воспроизведения окружающего пространства, основанный на сопоставлении точек, полученных с виртуальной модели, с точками, полученными в результате проецирования изображений с виртуальных телевизионных камер. Для получения точек использованы реперные метки типа ArUco, обеспечивающие однозначное сопоставление точек на исходном и синтезированном изображениях. Исследована зависимость значения целевой функции задачи оптимизации от параметров проецирования методом равномерного поиска. Предложен метод автоматической адаптации параметров проецирования при использовании сверхширокоугольных объективов в составе телевизионных камер и методов стереозрения. Определены направления дальнейших исследований.

В современных робототехнических и мехатронных системах востребованы технологии, позволяющие строить оптимальную траекторию движения их исполнительных механизмов. Такие технологии формируются при сочетании методов навигации и построения карты окружающего пространства на основе данных систем технического зрения и успешно применяются в робототехнике и мехатронике. Но есть проблема, состоящая в уменьшении точности планирования траектории движения, вызванная наличием некорректных участков на карте (карте глубины) из-за неправильного определения расстояния до объектов. Такие дефекты появляются в результате плохого освещения, зеркальной или мелкозернистой поверхности объектов. Это приводит к невозможности получения достоверной информации о глубине. В результате появляется эффект увеличения границ объектов (препятствий), а перекрытие объектов приводит к невозможности отличить один объект от другого.
Решить данную проблему можно с помощью методов реконструкции изображений. В статье представлен подход на основе модифицированного алгоритма поиска похожих блоков, использующего концепцию кватернионов и анизотропного градиента. Анализ результатов исследования показывает, что предложенный метод позволяет корректно восстанавливать границы объектов на изображении карты глубины при восстановлении трехмерных сцен, что способствует повышению точности планирования траектории движения исполнительных механизмов робототехнических и мехатронных систем.