DIDO의 작동 원리

당신이 듣고 상상 전화 벨소리를. 가장 먼저하는 일은 무엇입니까? 그것은 아마도 당신이 어디에 있는지, 하루 중 시간, 무엇을하고 있는지, 누구와 함께 있는지, 벨소리가 어떻게 들리는 지, 그것이 실제로 당신의 전화인지 여부와 같은 많은 것들에 달려 있습니다. 식료품 점을 걷다가 여러 통로에서 전화벨이 울리는 소리가 들리면 아마도 그것이 귀하의 전화가 아니라는 것을 깨닫고 무시할 것입니다. 차 안에있는 경우 교통 상황에 따라 전화를받을 수 있는지 또는 핸즈프리 장치가 있는지 여부를 결정할 수 있습니다.

이는 전화를 받을지 여부를 결정하는 데 많은 변수이며, 벨이 울리는 전화를 받거나 무시할 수있는 다른 많은 이유를 생각할 수 있습니다. 우리의 뇌는 이러한 모든 조건을 신속하게 처리하고 최선의 대응을 결정하며 신체가 조치를 취하도록 지시 할 수 있는 강력한 컴퓨터 입니다. 인류 역사를 통틀어 모든 시나리오에서 해당 프로세스를 올바르게 복제 할 수있는 기계를 만드는 것은 거의 상상할 수 없었습니다. 그러나 오늘날 DIDO 소프트웨어 및 하드웨어와 같은 기술은 이러한 기계를 현실화하는 데 도움이됩니다.

벨이 울리는 전화에 대해 정답이없는 것처럼 비행기를 조종하거나 로봇의 다리를 움직일 수있는 올바른 방법은 없습니다. 하지만 시나리오에 영향을 미치는 모든 조건을 고려할 때 최상의 응답이있을 수 있습니다. 비행기의 경우, 조종사가 목적지를 향해 조종하는 방식은 고도, 속도, 풍향, 대기 속도 및 주어진 시간에 수백 가지 다른 변수의 영향을받습니다. 인간 조종사는이 모든 정보를 처리하고 응답합니다.

컴퓨터가이 과정을 진정으로 복제 할 수 있습니까? 이것이 바로 DIDO와 같은 기술이 등장하는 곳입니다. DIDO는 MATLAB 과학 컴퓨팅 플랫폼에서 실행되도록 프로그래밍 된 소프트웨어로, Microsoft Windows가 필요합니다. 컴퓨터는 DIDO를 사용하여 지속적으로 변화하는 대용량 데이터를 신뢰할 수있는 최상의 응답으로 처리 할 수 ​​있습니다. DIDO는 1990 년대 후반 미국 해군 대학원 교수 인 Isaac "Mike"Ross에 의해 개발되었습니다. 당시 Ross와 동료 Fariba Fahroo는 최적 제어 이론과 계산에 대한 연구를 수행하고있었습니다. 나중에 최적 제어 이론에 대해 자세히 살펴 보겠습니다.

오늘날 DIDO는 Elissar Global에서 판매하는 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션의 일부입니다. 이 기사에서는 DIDO가 해결하는 데 도움이되는 문제의 종류와 DIDO 최적 제어 기술의 몇 가지 놀라운 기술 응용 프로그램을 다룹니다. 여러 분야의 연구자들이 DIDO를 어떻게 활용하고 있는지 살펴 보겠습니다.

내용

1. 의사 스펙트럼 최적 제어
2. 우주에서의 DIDO
3. 기타 DIDO 애플리케이션

DIDO가 해결하는 문제의 용어는 최적의 제어입니다. 미적분학에서 최적 제어 이론은 주어진 시나리오에서 최적의 기계적 반응을 찾기위한 수학적 접근 방식입니다. 수학적으로 최적의 제어는 원하는 결과를 달성하는 데 드는 비용을 최소화 (수익 극대화)하는 일련의 미분 방정식입니다. 걱정하지 마세요! 우리는이 개념을 훨씬 간단하게 만들려고합니다.

최적의 제어를 이해하기 위해 잠시 시간을 멈 춥니 다. 시각, 소리, 냄새, 미각 및 육체적 감정과 같은 주변 세상의 감각을 받아들이십시오. 이제 그것을 당신의 두뇌에 저장된 모든 것과 결합하십시오 . 주변의 새로운 자극에 반응하는 방식은 모든 정보를 기반으로합니다. 초인종을 듣거나 갓 구운 쿠키 냄새에 지금 당장 어떻게 반응 하시겠습니까?

컴퓨터는 우리의 두뇌를 모방하기 위해 유사한 감각 정보를 데이터로 변환 할 수 있습니다. 컴퓨터는 모든 데이터를 사용하여 주어진 자극에 대한 최상의 반응을 계산할 수 있습니다. 컴퓨터의 관점에서 볼 때 "최상의"응답은 최소 비용으로 최대의 보상을받는 행동입니다. 그 최상의 반응 개념은 과학자와 수학자들이 최적의 통제라고 부르는 것입니다.

이제 시간 고정을 해제하고 다시 진행하겠습니다. 갑자기 최적 제어를 계산하는 것이 더 복잡해집니다. 1 초의 1 분의 1이 지나갈 때마다 고려해야 할 새로운 감각 데이터와 함께 조건이 변경됩니다. 따라서 최적의 제어를 찾기위한 가장 큰 과제는 이러한 끊임없이 변화하는 조건을 고려하고 그에 따라 재 계산하는 것입니다. 우리의 두뇌는 이러한 재 계산을 지속적으로 수행하지만 컴퓨터는이를 수행하기 위해 어떤 유형의 자극-반응 프로그램을 가져야합니다.

이 복합 최적 제어 문제는 또 다른 미적분 개념 인 의사 분광 이론을 추가해야합니다. 의사 분광 이론에는 알려진 제약 조건 내에서 최적의 제어 계산을 위해 근사값을 사용하는 것이 포함됩니다. DIDO 소프트웨어는 최적의 제어 문제에 대한 의사 스펙트럼 접근 방식으로 유명합니다. 따라서 DIDO는 자동차와 비행기를 포함하여 주변 조건을 지속적으로 재평가하고 그에 따라 대응해야하는 기계를 구동하는 데 도움이됩니다.

지금까지 우리는 최적의 제어가 무엇인지와 의사 분광 이론의 중요성을 결정했습니다. 다음 으로 DIDO가 가장 눈에 띄는 응용 프로그램이있는 우주 공간 을 확대하거나 축소 해 보겠습니다 .

디도의 문제

고대 로마와 그리스 역사에는 카르타고의 여왕으로 알려진 엘리 사르 (Elissa)라는 여성이 포함됩니다. 그녀는 특히 Virgil의 "Aeneid"에서 Dido라고 불 렸습니다. 전설에 따르면 Dido는 다른 여러 사람과 함께 자신의 고향 페니키아에서 도망 쳤고, 정착하고 싶은 곳을 찾았을 때 그곳에서 왕과 계약을 맺어 카르타고의 도시가 될 땅을 얻었습니다 (현대 튀니지에서) . 거래에서 Dido는 황소 가죽으로 표시 할 수있는 땅의 양을 얻을 것입니다. Dido와 그녀의 동료들은 단일 황소 가죽에서 자른 작은 조각으로 긴 줄을 만들었습니다. 그런 다음 해안선을 경계로 선택하고 그 해안 경계선이있는 반원 모양으로 줄을 놓았습니다. 왕은 새로 온 사람들이 그렇게 많은 땅을 표시 할 수 있다는 사실에 놀랐습니다. 수학에서 Dido 's 문제경계선과 나머지 변의 둘레가 주어진 최대 영역을 생성하는 그림을 찾는 데 주어진 이름입니다. 그 최대 면적을 생성하는 수치는 전설적인 Dido가 관찰했듯이 주어진 경계선을 따라 반원형입니다.

Elissar Global에 따르면 소프트웨어의 가장 광범위한 응용 프로그램은 우주에있었습니다. 이것은 아마도 우주의 차량 및 기타 기계가 인간의 직접적인 행동보다는 자동화 또는 원격 제어에 크게 의존한다는 점에서 가장 직관적 인 DIDO 애플리케이션 일 것입니다. 주변에서 일어나는 일을 감지하고 최상의 응답을 신속하게 결정할 수있는 컴퓨터는 귀중한 자산입니다.

DIDO의 두 가지 특정 응용 프로그램은 최적의 제어 문제를 해결하는 소프트웨어의 명성을 크게 향상 시켰습니다. 이들 중 첫 번째는 2006 년 DIDO가 연료를 소비하지 않고 궤도 경로 내에서 ISS (International Space Station)를 180도 조종하려는 목표를 달성 한 때였습니다. 일반적으로 ISS와 궤도에있는 다른 차량은 추진기를 사용하여 기동해야하므로 값 비싼 연료가 필요합니다. DIDO 제작자 인 Ross와 다른 연구자들은 제로 추진 기동 (ZPM)이 가능하다는 생각을 가지고있었습니다.

DIDO는 이러한 제로 추진 기동에 두 번 사용되었으며 각각 성공했습니다. 2006 년 11 월 5 일, 팀은 ISS를 90도 조종했습니다. 4 개월 후인 3 월 3 일, 그들은 180도 회전을 관리했습니다. 이러한 실험은 DIDO에 대한 대규모 개념 증명이었으며이를 선도하는 최적 제어 기술로 명성을 얻었습니다.

2010 년에 DIDO의 또 다른 애플리케이션은 NASA 의 Transition Region 및 Coronal Explorer (TRACE) 위성 을 조종하는 것 입니다. TRACE는 태양을 연구하는 임무를 수행하고 있었지만 12 년 동안 거의 움직이지 않았습니다. TRACE 연구에 따르면 NASA의 두 지점 사이를 직선으로 따라가는 프로토콜은 최단 이동 거리를 식별했지만 가장 빠른 경로와는 거리가 멀었습니다. 따라서 위성이 새로운 지점으로 회전 (각도 이동)해야 할 때 직선 경로를 고수하려고했기 때문에 필요한 것보다 훨씬 더 오래 걸립니다.

TRACE 기동 연구는 NASA 엔지니어링 및 안전 센터 (NESC) 에서 위성 을 해체하려고 할 때 이루어졌습니다. NESC의 엔지니어는 Mark Karpenko가 DIDO 계산을 적용하고 TRACE에 대한 최적의 슬루를 업 링크하는 실험에서 주도권을 잡도록했습니다. 가설은 중력을 장점으로 사용하는 최적의 경로가 선회에 대한보다 효율적인 접근을 가능하게한다는 것입니다. 이 아이디어는 물리학에서 베르누이의 원리와 관련이 있습니다.

2 개월의 제한된 시간에도 불구하고 TRACE 연구팀은 그 가설을 입증 할 수있었습니다. 또한 TRACE는 각 슬루 동안 절반 미만의 전력을 필요로했습니다. 관측자들은 TRACE 위성 기동을 마치 우주를 통해 춤추는 것처럼 묘사했습니다. 이제 그것이 우리가 별과 함께 춤을 추는 것입니다!

다음으로, 우리는 궤도에서 벗어나 DIDO가 지구에서 어떻게 그것을 크게 만들고 있는지 확인합니다.

DIDO는 최적의 제어 문제를 해결하기위한 일반적인 접근 방식입니다. 즉, Microsoft Windows에서 실행되는 MATLAB 컴퓨팅 플랫폼을 사용하는 한 시스템이 처리하는 입력 유형에 관계없이 모든 자율 시스템에 쉽게 통합되어야합니다 . 자율 시스템이란 로봇 엔티티로 함께 작동하고 주어진 작업을 완료하기 위해 수행해야하는 일련의 작업을 자체적으로 결정하는 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 의미합니다. 어떤 의미에서 자율 시스템은 자체 문제를 해결할 수있는 로봇입니다.

DIDO는 매우 일반적이어서 학계와 산업계의 연구자들이 소프트웨어를 적용하여 광범위한 최적 제어 문제를 해결하는 방법을 찾았 기 때문입니다. 우리는 연구자들이 DIDO를 자율 시스템의 기존 소프트웨어와 통합 할 수있는 로봇 공학에서이를 두드러지게 볼 수 있습니다. DIDO 제작자 Ross는 인터뷰에서 그의 전 학생 중 한 명이 특히 놀라운 결과를 얻은 지상 로봇에 소프트웨어를 적용했다고 말했습니다 . 같은 Ph.D. 대학원생은 충돌없이 거친 바다를 통과하는 여러 로봇 차량을 탐색하는 방법을 연구했습니다.

DIDO가 견인력을 얻고있는 또 다른 분야는 항공학입니다. 앞서 우리는 항공기 조종 방법을 결정하는 데 필요한 모든 조건의 예를 제시했습니다. 그 예는 임의적이지 않았습니다. 우리는 DIDO가 그것을 할 수 있었기 때문에 그것을 선택했습니다. 글라이더의 비행 궤적을 찾는 데 도움을주는 것 외에도 DIDO는 항공기의 연료 최적화에도 도움을주고 있습니다. AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics)는 DIDO를 작업에 사용한 전 세계 연구자들의 연구를 발표했습니다.

고유 한 DIDO 응용 프로그램 중 하나는 날개 달린 수중 차량 형태의 무인 자율 시스템 인 해저 글라이더를 조종하는 데 최적의 제어 계산을 적용했습니다. 버지니아 공대의 연구원들은 그러한 글라이더가 물을 통해 돌고래처럼 움직일 수 있도록하는 방법을 모색했습니다. 이는 해양학 조사를 할 때 에너지 효율적이고 유용합니다. 팀의 과제 중 하나는 하향 궤도에서 상향 궤도로 전환 할 때 지연 효과를 해결하는 것이 었습니다. 팀은 DIDO가 연구를 위해 설정하고 실행하는 가장 쉬운 솔루션 방법이라고보고했지만, 다른 도구를 사용하여 유사한 계산을 얻는 것도보고했습니다 [출처 : Kraus, Cliff, Woolsey 및 Luby ].

이 기사를 통해 최적의 제어 문제가 무엇인지, DIDO가 문제를 해결하는 데 어떻게 도움이되는지, 연구원들이 다양한 상업 및 학술 분야에서 DIDO를 적용한 혁신적인 방법을 살펴 보았습니다. 다음 페이지에서 더 많은 정보를 확인하여 DIDO 경험을 최적화하십시오.

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