Кіріспе

Траекторияны оңтайландыру – бұл белгілі бір шектеулерді сақтай отырып, өнімділіктің белгілі бір өлшемін азайту (немесе арттыру) үшін траекторияны жобалау процесі. Жалпы айтқанда, траекторияны оңтайландыру – оптималды басқару мәселесіне ашық циклдік шешім табу әдісі. Ол көбінесе толық жабық циклдік шешімді есептеу қажет болмайтын, қиын немесе мүмкін емес жүйелер үшін қолданылады. Егер траекторияны оңтайландыру мәселесі Липшиц тұрақтысының кері шамасымен берілген жылдамдықпен шешілсе, оны Каратеодори мағынасында жабық циклдік шешімді жасау үшін итеративті түрде қолдануға болады. Траекторияның тек бірінші қадамы шексіз горизонт мәселесі үшін орындалса, онда бұл Модельдік Болжамды Бақылау (МББ) деп аталады. Траекторияны оңтайландыру идеясы жүздеген жылдар бойы бар болғанымен (вариациялар есебі, брахистохрондық мәселе), ол компьютерлердің пайда болуымен ғана нақты әлемдегі мәселелер үшін практикалық болды. Траекторияны оңтайландырудың алғашқы көптеген қолданыстары әуе-ғарыш өнеркәсібінде, ракеталар мен зымырандарды ұшыру траекторияларын есептеуде болды. Соңғы уақыттарда траекторияны оңтайландыру өндірістік процестер мен робототехниканың кең ауқымында да қолданылуда.

Тарих

Траекторияны оңтайландыру 1697 жылы Брахистохрон мәселесін енгізумен басталды: сымның қандай пішінде болуын анықтау керек, осы сыммен сырғанап түсетін дененің екі нүкте арасындағы қозғалысы ең аз уақытты алсын. Бұл мәселенің ерекшелігі – ол жеке сан емес, қисық (сымның пішіні) бойынша оңтайландыруды жүзеге асыруы. Ең белгілі шешімдер вариациялық есептеулерді қолдану арқылы есептелді. 1950 жылдары цифрлық компьютерлер траекторияны оңтайландыруды нақты проблемаларды шешу үшін қолдануға мүмкіндік берді. Алғашқы оңтайлы басқару әдістері Америкада Гилберт Эймс Блис пен Брайсон, ал Ресейде Понтрягиннің зерттеулеріне негізделген вариациялық есептеулерден туындады. Понтрягиннің максимум принципі ерекше атауға лайық. Осы алғашқы зерттеушілер траекторияны оңтайландырудың жанама әдістері деп білетін негізді қалады. Траекторияны оңтайландыру бойынша алғашқы жұмыстардың көп бөлігі вакуумда да, атмосферада да зымыранның итермелеу профильдерін есептеуге бағытталған. Бұл зерттеулер қазірге дейін қолданылып келе жатқан көптеген негізгі принциптерді анықтады. Тағы бір табысты қолданысы – ертедегі реактивтік ұшақтардың биіктікке өрлеу траекториялары. Трансдыбыстық кедергі аймағының жоғары кедергісі және ертедегі реактивтік ұшақтардың төмен итермелеуі салдарынан траекторияны оңтайландыру биіктікке өрлеу көрсеткіштерін барынша арттырудың кілті болды. Оптималды басқаруға негізделген траекториялар әлемдік рекордтардың біріне жауапты болды. Мұндай жағдайларда ұшқыштар оптималды басқару шешімдеріне сүйенген Мах саны мен биіктік кестесін сақтады. Траекторияны оңтайландырудағы маңызды мәселелердің бірі – Понтрягиннің максимум принципі толық шешім бермейтін сингулярлық доға. Сингулярлық басқарудың мысалы – тұрақты биіктікте ұшатын және төмен жылдамдықпен ұшырылатын зымыранның итермелеуін оңтайландыру. Мұнда мәселе сингулярлық доғаға жеткенге дейін максималды итермелеуде «bang-bang» басқару болып табылады. Содан кейін сингулярлық басқарудың шешімі күйіп кетуге дейін төменгі айнымалы итермелеуді қамтамасыз етеді. Осы кезде «bang-bang» басқару итермелеудің ең төменгі мәніне, яғни нөлге дейін төмендейді. Бұл шешім бүгінде зымыранның өнімділігін арттыру үшін кеңінен қолданылатын ракеталық қозғалтқыш профилінің негізі болып табылады.

Қолданбалар

Траекторияны оңтайландырудың кең ауқымды қолданыс салалары бар, негізінен робототехникада: өнеркәсіп, манипуляция, қадам басу, жол жоспарлау және аэроғарыш салалары. Оны модельдеу және бағалау үшін де пайдалануға болады.

Роботтық манипуляторлар

Конфигурацияға байланысты, ашық тізбекті робот манипуляторларына траекторияны оңтайландыру қажет болуы мүмкін. Мысалы, 7 буынға және 7 серіктес буынға (7 DOF) ие робот қолдары артық жүйе болып табылады, онда аяқтағы эффектінің бір картезиялық орны буындардың шексіз бұрыш позицияларына сәйкес келеді. Осы артық мүмкіндікті траекторияны оңтайландыру үшін пайдалануға болады, мысалы, жұмыс кеңістігіндегі кедергілерден қашуға немесе буындардағы моментті азайтуға.

Төртбұрышты тікұшақтар

Траекторияны оңтайландыру көбінесе квадроторлы тікұшақтардың траекториясын есептеу үшін қолданылады. Мұндай қолданыстарда әдетте арнайы алгоритмдер пайдаланылады. U. Penn GRASP Lab көрсеткен бір қызықты мысал – квадротордың оны лақтырған кезде шеңберден ұшып өтуіне мүмкіндік беретін траекторияны есептеу. Ал, ETH Zurich Flying Machine Arena-дағы мысал екі квадротордың бір полюсті кері маятниктей теңгеріп, бір-біріне алға-артқа лақтыруын қамтиды. Квадрокоптер үшін ең төмен энергияны қажет ететін траекторияны есептеу мәселесі де соңғы кезде зерттелді.

Өңдеу

Траекторияны оңтайландыру өндірісте, әсіресе химиялық процестерді басқаруға немесе роботтық манипуляторлардың қажетті траекториясын есептеуге қолданылады.

Жүретін роботтар

Жүретін роботтар саласында траекторияны оңтайландырудың түрлі қолданыс орындары бар. Мысалы, бір зерттемеде екі аяқты жүрістің траекториясын оңтайландыру арқылы қарапайым модельде төмен жылдамдықпен жүрудің, ал жоғары жылдамдықпен жүгірудің энергия тұрғысынан тиімді екені көрсетілді. Көптеген басқа қолданыстардағыдай, траекторияны оңтайландыру номиналды траекторияны есептеу үшін қолданылуы мүмкін, оның негізінде тұрақтандыру контроллері құрылады. Траекторияны оңтайландыру Atlas сияқты күрделі адам тәрізді роботтардың толыққанды қозғалысын жоспарлауда қолданылады. Соңында, траекторияны оңтайландыру, қысқартылған модельдерді пайдалана отырып, күрделі динамикалық шектеулері бар роботтардың жолын жоспарлау үшін де қолданылуы мүмкін.

Әуе кеңістігі

Тактикалық зымырандар үшін ұшу траекториялары, итеру күші мен көтерілу тарихымен анықталады. Бұл тарихты, шабуыл бұрышының командалық тарихын қолдану немесе зымыранның орындауы тиіс биіктік/қашықтық кестесі сияқты әдістерді қоса алғанда, түрлі тәсілдермен басқаруға болады. Зымыранның құрылымдық факторларының, қажетті өнімділігінің және жүйелік шектеулердің әрбір комбинациясы, оптималды басқару параметрлерінің жаңа жиынтығын құрайды.

Траекторияны оңтайландыру әдістері

Кез келген оптимизациялау мәселелерін шешу әдістерін екі топқа бөлуге болады: жанама және тікелей. Жанама әдіс оптималдық үшін қажетті және жеткілікті шарттарды талдау арқылы анықтап, оларды сандық түрде шешеді. Тікелей әдіс оңтайлы шешімге қадам-қадаммен жақындықтар тізбегін құрастыру арқылы тікелей сандық шешім табуға тырысады.

Бірнеше рет атылған

Көп рет ату – бір рет атудың қарапайым кеңейтілген түрі, оны едәуір тиімді етеді. Алгоритм траекторияны бір симуляция (кезең) ретінде емес, көптеген қысқа сегменттерге бөледі және әрбір сегмент арасына қателік шектеуі қосылады. Соның нәтижесінде үлкен, сирек кездесетін сызықтық емес бағдарлама пайда болады, оны бір рет ату арқылы алынған шағын тығыз бағдарламаларға қарағанда шешу оңайырақ.

Псевдоспектрлік дискреттеу

Псевдоспектрлік дискреттеуде траекторияның толыққанды жолы уақыт доменіндегі (тәуелсіз айнымалы) негіздік функциялар жиынтығы арқылы көрсетіледі. Негіздік функциялар міндетті түрде полиномдар болуы керек емес. Псевдоспектрлік дискреттеу спектрлік колокация деп те аталады. Егер траекторияны оңтайландыру мәселесін шешу үшін қолданылса және шешімі тегіс болса, псевдоспектрлік әдіс спектрлік (экспоненциалдық) жуықтауға қол жеткізеді. Траектория тегіс болмаған жағдайда да жуықтау өте жылдам болады, Рунге-Кутта әдістерінен асып түседі.

Уақытша шекті элементтер

1990 жылы Дьюи Х. Ходжес және Роберт Р. Блесс оңтайлы басқару мәселелері үшін әлсіз Гамильтондық шекті элементтер әдісін ұсынды. Олардың идеясы – оптималдық үшін қажетті бірінші реттік шарттардың әлсіз вариациялық формасын шығару, уақыт саласын шекті интервалдарға бөлу және әрбір интервалдағы күйлердің, басқарудың және ко-мәндердің қарапайым нөлдік дәрежелі полиномдық өрнектемесін қолдану болды.

Дифференциалдық динамикалық бағдарламалау

Дифференциалдық динамикалық бағдарламалау, мұнда сипатталған басқа техникалардан сәл ерекшеленеді. Атап айтқанда, ол транскрипцияны және оптимизацияны нақты бөліп көрсетпейді. Оның орнына, траектория бойымен бірнеше итеративті алға және кері өтулерді жасайды. Әрбір алға өту жүйе динамикасын қанағаттандырады, ал әрбір кері өту басқарудың оңтайлылық шарттарын қанағаттандырады. Соңында, бұл итерация қанағаттандыратын және оңтайлы траекторияға жуықсады.

Техникаларды салыстыру

Траекторияны оңтайландыру мәселесін шешу үшін көптеген техникалар бар. Ең жақсы әдіс жоқ, бірақ кейбір әдістер нақты мәселелерде жақсы нәтиже беруі мүмкін. Осы бөлім әдістердің артықшылықтары мен кемшіліктерін салыстыра қарастырады.

Тікелей және жанама әдістер

Траекторияны оңтайландыру мәселесін жанама әдіспен шешетін болсаңыз, қосымша теңдеулерді және олардың градиенттерін нақты құрастыру қажет. Бұл көбінесе қиынға соғады, бірақ шешімнің өте жоғары дәлдік өлшемін қамтамасыз етеді. Тікелей әдістерді орнату және шешу әлдеқайда оңай, бірақ оларда кіріктірілген дәлдік өлшемі болмайды. Сондықтан тікелей әдістер, әсіресе маңызды емес қолдануларда, кеңінен қолданылады. Жанама әдістер әлі де мамандандырылған қолдануларда, әсіресе аэроғарыш саласында, дәлдік аса маңызды болған жағдайларда қолданысқа ие. Жанама әдістердің қиындыққа тап болатын бір жағдайы – жол теңсіздігі шектеулері бар мәселелер. Мұндай мәселелердің шешімдерінде шектеулердің бір бөлігі белсенді болады. Жанама әдіс үшін қосымша теңдеулерді құрастырғанда, пайдаланушы шектеудің шешімде қашан белсенді болатынын нақты көрсетуі керек, ал мұны алдын ала білу қиын. Мұның бір шешімі – бастапқы шамалауды есептеу үшін тікелей әдіс қолданып, содан кейін шектеулер белгіленген көп фазалы мәселені құру. Соның нәтижесінде алынған мәселені жанама әдіспен дәл шешуге болады.

Атыс пен орналасу

Бір рет түсіру әдістері басқару өте қарапайым (немесе бастапқы шамалау өте жақсы) мәселелер үшін ең қолайлы. Мысалы, спутниктік миссия жоспарлау мәселесі, ондағы жалғыз басқару – қозғалтқыштардан басталатын импульстің шамасы мен бағыты. Көп рет түсіру салыстырмалы түрде қарапайым басқаруға, бірақ күрделі динамикаға ие мәселелер үшін жақсы. Жолдық шектеулер қолданылғанның өзінде, олар нәтижедегі сызықтық емес бағдарламаны шешуді қиындатады. Тікелей колокация әдістері басқару мен күйдің дәлдігі шамалас мәселелер үшін жақсы. Бұл әдістер басқаларына қарағанда аз дәл болуы мүмкін (олардың төмен ретіне байланысты), бірақ қиын жолдық шектеулері бар мәселелер үшін ерекше сенімді. Ортогональды колокация әдістері басқару траекториясының дәлдігі маңызды мәселелерге жоғары дәлдікті шешімдер алу үшін ең жақсы. Кейбір іске асыруларда жолдық шектеулермен қиындықтар туындауы мүмкін. Бұл әдістер шешім тегіс болған кезде өте жақсы нәтиже береді.