So funktioniert DIDO

Stellen Sie sich vor, Sie hören ein Telefon klingeln. Was machst du als erstes? Das hängt wahrscheinlich von vielen Dingen ab, z. B. wo Sie sich befinden, zu welcher Tageszeit, was Sie tun, wer bei Ihnen ist, wie der Klingelton klingt und ob es tatsächlich Ihr Telefon ist. Wenn Sie durch ein Lebensmittelgeschäft gehen und mehrere Gänge entfernt ein Telefon klingeln hören, werden Sie wahrscheinlich feststellen, dass es nicht Ihr Telefon ist, und es einfach ignorieren. Wenn Sie sich in Ihrem Auto befinden, können Sie anhand des Verkehrsaufkommens entscheiden, ob Sie ans Telefon gehen können oder ob Sie eine Freisprecheinrichtung haben.

Das sind eine Menge Variablen, nur um zu entscheiden, ob Sie ans Telefon gehen, und Sie könnten sich wahrscheinlich viele andere Gründe vorstellen, warum Sie ein klingelndes Telefon annehmen oder ignorieren könnten. Unsere Gehirne sind leistungsstarke Computer , die all diese Bedingungen schnell verarbeiten, die beste Reaktion entscheiden und unseren Körper anweisen können, Maßnahmen zu ergreifen. Im Laufe der Menschheitsgeschichte war es fast unvorstellbar, eine Maschine zu schaffen, die diesen Prozess in jedem Szenario korrekt replizieren kann. Heute jedoch tragen Technologien wie DIDO-Software und -Hardware dazu bei, solche Maschinen Wirklichkeit werden zu lassen.

So wie es keine richtige Antwort auf ein klingelndes Telefon gibt, gibt es auch nicht die eine richtige Art, ein Flugzeug zu steuern oder die Beine eines Roboters zu bewegen. Angesichts aller Bedingungen, die das Szenario beeinflussen, kann es jedoch eine optimale Reaktion geben. Im Fall des Flugzeugs wird die Art und Weise, wie ein Pilot zum Ziel steuert, durch die Höhe, Geschwindigkeit, Windrichtung, Luftgeschwindigkeit und jede von hundert anderen Variablen zu einem bestimmten Zeitpunkt beeinflusst. Menschliche Piloten verarbeiten all diese Informationen und reagieren darauf.

Kann ein Computer diesen Prozess wirklich replizieren? Hier kommt Technologie wie DIDO ins Spiel. DIDO ist eine Software, die so programmiert ist, dass sie auf der wissenschaftlichen Computerplattform MATLAB läuft, die wiederum Microsoft Windows erfordert. Computer können DIDO verwenden, um große und sich ständig ändernde Datenmengen zu einer zuverlässigen besten Antwort zu verarbeiten. DIDO wurde Ende der 1990er Jahre von Isaac „Mike“ Ross, Professor an der US Naval Postgraduate School, entwickelt. Zu dieser Zeit forschten Ross und seine Kollegin Fariba Fahroo an der Theorie und Berechnung optimaler Steuerungen. Wir werden uns später mehr mit der Theorie der optimalen Kontrolle befassen.

Heute ist DIDO Teil der von Elissar Global vertriebenen Hardware- und Softwarelösungen. Dieser Artikel behandelt die Arten von Problemen, bei deren Lösung DIDO hilft, und einige atemberaubende technologische Anwendungen der optimalen Steuerungstechnologie von DIDO. Beginnen wir mit einem Blick darauf, wie Forscher in vielen Bereichen DIDO nutzen.

1. Pseudospektrale Optimalsteuerung
2. DIDO im Weltraum
3. Andere DIDO-Anwendungen

Der Begriff für das Problem, das DIDO löst, ist optimale Kontrolle. In der Analysis ist die Theorie der optimalen Steuerung ein mathematischer Ansatz, um die beste mechanische Reaktion in einem bestimmten Szenario unter bestimmten Bedingungen zu finden. Mathematisch gesehen ist eine optimale Steuerung ein Satz von Differentialgleichungen, die die Kosten minimieren (die Auszahlung maximieren), um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Mach dir keine Sorgen! Wir sind dabei, dieses Konzept viel einfacher zu machen.

Um die optimale Steuerung zu verstehen, lassen Sie uns die Zeit für einen Moment einfrieren. Nehmen Sie die Empfindungen der Welt um Sie herum auf: Anblicke, Geräusche, Gerüche, Geschmäcker und körperliche Empfindungen. Kombiniere das jetzt mit allem, was in deinem Gehirn gespeichert ist . Die Art und Weise, wie Sie auf neue Reize um Sie herum reagieren, basiert auf all diesen Informationen. Wie würden Sie jetzt reagieren, wenn Sie eine Türklingel hören oder frisch gebackene Kekse riechen?

Computer können ähnliche sensorische Informationen in Daten umwandeln, um unsere Gehirnleistung zu imitieren. Der Computer kann anhand all dieser Daten die beste Reaktion auf einen bestimmten Reiz berechnen. Aus der Sicht des Computers wäre die "beste" Antwort die Aktion, die den maximalen Nutzen bei minimalen Kosten hat. Dieses Best-Response-Konzept ist das, was Wissenschaftler und Mathematiker als optimale Steuerung bezeichnen.

Lassen Sie uns jetzt die Zeit auftauen und wieder vorwärts gehen. Plötzlich ist die Berechnung der optimalen Steuerung komplizierter. Mit jedem Bruchteil einer Sekunde ändern sich die Bedingungen, und es müssen neue sensorische Daten berücksichtigt werden. Daher besteht die größte Herausforderung beim Finden der optimalen Steuerung darin, diese sich ständig ändernden Bedingungen zu berücksichtigen und entsprechend neu zu berechnen. Unser Gehirn führt diese Neuberechnungen ständig durch, aber ein Computer muss über eine Art Stimulus-Response-Programm verfügen, um dies zu tun.

Dieses zusammengesetzte Optimalsteuerungsproblem erfordert das Hinzufügen eines weiteren Kalkülkonzepts: der Pseudospektraltheorie. Die Pseudospektraltheorie beinhaltet die Verwendung von Näherungswerten für Berechnungen zur optimalen Steuerung innerhalb einiger bekannter Einschränkungen. Die DIDO-Software ist bekannt für ihren pseudospektralen Ansatz für optimale Steuerungsprobleme. So hilft DIDO Maschinen zu fahren, die ihre Umgebungsbedingungen ständig neu bewerten und entsprechend reagieren müssen, einschließlich Autos und Flugzeugen.

Bisher haben wir festgestellt, was optimale Kontrolle ist und welche Bedeutung die Pseudospektraltheorie hat. Lassen Sie uns als Nächstes in den Weltraum hineinzoomen oder eher herauszoomen, wo DIDOs seine prominenteste Anwendung hatte.

Didos Problem

Die antike römische und griechische Geschichte beinhaltet eine Frau namens Elissar oder Elissa, bekannt als die Königin von Karthago. Sie wurde auch Dido genannt, besonders in Vergils „Aeneis“. Der Legende nach floh Dido mit mehreren anderen aus ihrer Heimat Phönizien, und als sie einen Ort fand, an dem sie sich niederlassen wollte, schloss sie dort einen Deal mit dem König, um das Land zu erhalten, das die Stadt Karthago (im heutigen Tunesien) werden sollte. . Bei dem Deal würde Dido so viel Land bekommen, wie sie mit einem Stierfell abstecken konnte. Dido und ihre Kollegen stellten eine lange Schnur aus kleinen Streifen her, die aus der Haut eines einzelnen Bullen geschnitten wurden. Dann wählten sie die Küste als Grenze aus und legten die Schnur in einem Halbkreis mit dieser Küstengrenze. Der König war überrascht, dass die Neuankömmlinge so viel Land markieren konnten. In Mathematik, Dido'ist der Name für das Finden der Figur, die die maximale Fläche ergibt, wenn eine Begrenzungslinie und ein Umfang für die verbleibenden Seiten gegeben sind. Die Figur, die diese maximale Fläche erzeugt, ist, wie der legendäre Dido bemerkte, ein Halbkreis entlang dieser gegebenen Grenzlinie.

Laut Elissar Global fand die umfassendste Anwendung seiner Software im Weltraum statt. Dies ist wahrscheinlich die intuitivste Anwendung für DIDO, da Fahrzeuge und andere Maschinen im Weltraum stark auf Automatisierung oder Fernsteuerungen und nicht auf direkte menschliche Aktionen angewiesen sind. Da draußen ist ein Computer, der wahrnehmen kann, was um ihn herum passiert, und schnell die beste Reaktion bestimmen kann, ein wertvolles Gut.

Zwei besondere Anwendungen von DIDO haben dem Ruf der Software für die Lösung optimaler Steuerungsprobleme einen ziemlichen Schub verliehen. Das erste war 2006, als DIDO das Ziel in Angriff nahm, die Internationale Raumstation (ISS) um 180 Grad innerhalb ihrer Umlaufbahn zu manövrieren, ohne Treibstoff zu verbrauchen. Typischerweise müssen die ISS und andere Fahrzeuge im Orbit Triebwerke zum Manövrieren verwenden, die teuren Treibstoff erfordern. DIDO-Schöpfer Ross und andere Forscher hatten die Idee, dass ein Zero-Treibstoff-Manöver (ZPM) möglich sei.

Für diese treibstofffreien Manöver wurde DIDO zweimal eingesetzt, jeweils mit Erfolg. Am 5. November 2006 manövrierte das Team die ISS um 90 Grad. Vier Monate später, am 3. März, gelang ihnen eine 180-Grad-Wende. Diese Experimente waren ein groß angelegter Machbarkeitsnachweis für DIDO und brachten es als führende optimale Steuerungstechnologie zu Ruhm.

Im Jahr 2010 bestand eine weitere Anwendung von DIDO darin, den Satelliten Transition Region and Coronal Explorer (TRACE) der NASA zu manövrieren. TRACE war auf einer Mission, die Sonne zu untersuchen, aber sie hatte sich während ihres 12-jährigen Unterfangens kaum bewegt. Wie die TRACE-Forschung zeigte, hat das Protokoll der NASA, einer geraden Linie zwischen zwei Punkten zu folgen, möglicherweise die kürzeste zu reisende Entfernung identifiziert, aber es war weit entfernt von der schnellsten Route. Als der Satellit also zu einem neuen Punkt schwenken (sich in einem Winkel bewegen) musste, dauerte es viel länger als nötig, weil er versuchte, auf diesem geraden Weg zu bleiben.

Die TRACE-Manöverforschung kam gerade, als der Satellit vom NASA Engineering and Safety Center (NESC) stillgelegt werden sollte. Ingenieure von NESC überließen Mark Karpenko die Leitung eines Experiments, um DIDO-Berechnungen anzuwenden und einen optimalen Slew für TRACE hochzuladen. Die Hypothese war, dass der optimale Weg, der die Schwerkraft als Vorteil nutzt, zu einem effizienteren Ansatz für das Schwenken führen würde. Diese Idee bezieht sich auf das Prinzip von Bernoulli in der Physik.

Trotz der begrenzten Bearbeitungszeit von zwei Monaten konnte das TRACE-Forschungsteam seine Hypothese beweisen. Darüber hinaus benötigte der TRACE bei jedem Schwenk weniger als die Hälfte der elektrischen Energie. Beobachter beschrieben das Manöver des TRACE-Satelliten, als ob er durch den Weltraum tanze. Das nennen wir Tanzen mit den Sternen!

Als nächstes verlassen wir den Orbit und sehen uns an, wie DIDO hier auf der Erde groß herauskommt.

DIDO ist als generischer Ansatz zur Lösung optimaler Steuerungsprobleme gedacht. Dies bedeutet, dass es sich problemlos in jedes autonome System integrieren sollte, unabhängig davon, welche Arten von Eingaben dieses System verarbeitet, solange es die MATLAB -Computerplattform verwendet , die in Microsoft Windows ausgeführt wird. Unter autonomem System verstehen wir eine Kombination aus Hardware und Software, die zusammen als Robotereinheit fungiert und die Abfolge von Aktionen, die sie ausführen muss, um eine bestimmte Aufgabe zu erledigen, selbst bestimmt. Ein autonomes System ist gewissermaßen ein Roboter, der seine eigenen Probleme lösen kann.

Weil DIDO so generisch ist, haben Forscher sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie Wege gefunden, die Software anzuwenden, um ein breites Spektrum optimaler Steuerungsprobleme zu lösen. Wir sehen dies prominent in der Robotik, wo Forscher DIDO mit der bestehenden Software in ein autonomes System integrieren können. DIDO-Schöpfer Ross sagte in einem Interview, dass insbesondere einer seiner ehemaligen Schüler die Software mit erstaunlichen Ergebnissen auf Bodenroboter angewendet hat . Derselbe Ph.D. Der Absolvent hat erforscht, wie mehrere Roboterfahrzeuge durch raue Gewässer navigiert werden, ohne dass sie kollidieren.

Ein weiterer Bereich, in dem DIDO an Zugkraft gewinnt, ist die Luftfahrt. Weiter oben haben wir ein Beispiel für alle Bedingungen gegeben, die bei der Bestimmung der Steuerung eines Flugzeugs eine Rolle spielen. Dieses Beispiel war nicht willkürlich: Wir haben es gewählt, weil DIDO genau das kann. Neben der Hilfe bei der Suche nach Flugbahnen für Segelflugzeuge hilft DIDO auch bei der Treibstoffoptimierung für Flugzeuge. Das American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) hat Studien von Forschern auf der ganzen Welt veröffentlicht, die DIDO in ihrer Arbeit verwendet haben.

Eine einzigartige DIDO-Anwendung wendet ihre Berechnungen zur optimalen Steuerung auf die Steuerung eines Unterwassergleiters an, einem unbemannten autonomen System in Form eines geflügelten Unterwasserfahrzeugs. Forscher der Virginia Tech suchten nach Möglichkeiten, um sicherzustellen, dass sich ein solches Segelflugzeug wie ein Tümmler durch das Wasser bewegen kann, was sowohl energieeffizient als auch nützlich ist, wenn ozeanografische Vermessungen durchgeführt werden. Eine der Herausforderungen des Teams bestand darin, einen Verzögerungseffekt beim Übergang von Abwärts- zu Aufwärtskurven zu beheben. Das Team berichtete, dass DIDO die einfachste Lösungsmethode für sie war, die sie für ihre Forschung einrichten und ausführen konnten, obwohl sie auch berichteten, ähnliche Berechnungen mit einem anderen Tool zu erhalten [Quelle: Kraus, Cliff, Woolsey und Luby ].

In diesem Artikel haben wir uns angesehen, was optimale Steuerungsprobleme sind, wie DIDO hilft, sie zu lösen, und auf welche innovative Art und Weise Forscher DIDO in verschiedenen kommerziellen und akademischen Bereichen eingesetzt haben. Optimieren Sie Ihr DIDO-Erlebnis, indem Sie sich noch mehr Informationen auf der nächsten Seite ansehen.

Zum Thema passende Artikel

Weitere tolle Links