Jak działa DIDO

Wyobraź sobie, że słyszysz dzwonek telefonu . Jaka jest pierwsza rzecz, którą robisz? To prawdopodobnie zależy od wielu rzeczy, takich jak to, gdzie jesteś, pora dnia, co robisz, kto jest z tobą, jak brzmi dzwonek i czy to rzeczywiście Twój telefon. Jeśli spacerujesz po sklepie spożywczym i słyszysz telefon dzwoniący z kilku korytarzy dalej, prawdopodobnie zdasz sobie sprawę, że to nie twój telefon, i po prostu go zignorujesz. Jeśli jesteś w samochodzie, możesz zdecydować, czy możesz odebrać telefon na podstawie natężenia ruchu, czy też masz zestaw głośnomówiący.

To wiele zmiennych, aby zdecydować, czy odebrać telefon, i prawdopodobnie możesz pomyśleć o wielu innych przyczynach, dla których możesz odebrać lub zignorować dzwoniący telefon. Nasze mózgi to potężne komputery, które mogą szybko przetworzyć wszystkie te warunki, zdecydować o najlepszej reakcji i poinstruować nasze ciała, aby podjęły działania. W całej historii ludzkości stworzenie maszyny, która może poprawnie odtworzyć ten proces w każdym scenariuszu, było prawie niewyobrażalne. Dziś jednak technologia, taka jak oprogramowanie i sprzęt DIDO, pomaga urzeczywistniać takie maszyny.

Tak jak nie ma jednej prawidłowej odpowiedzi na dzwoniący telefon, tak nie ma jednego prawidłowego sposobu sterowania samolotem lub poruszania nogami robota. Jednak może być najlepsza odpowiedź, biorąc pod uwagę wszystkie warunki mające wpływ na scenariusz. W przypadku samolotu na to, jak pilot kieruje się w kierunku celu, wpływa wysokość, prędkość, kierunek wiatru, prędkość lotu i każda ze stu innych zmiennych w danym momencie. Piloci przetwarzają i reagują na wszystkie te informacje.

Czy komputer może naprawdę odtworzyć ten proces? W tym miejscu wkracza technologia taka jak DIDO. DIDO to oprogramowanie zaprogramowane do działania na naukowej platformie obliczeniowej MATLAB, która z kolei wymaga systemu Microsoft Windows. Komputery mogą używać DIDO do przetwarzania dużych i ciągle zmieniających się ilości danych w niezawodną najlepszą odpowiedź. DIDO został opracowany pod koniec lat 90. przez profesora US Naval Postgraduate School, Isaaca „Mike’a” Rossa. W tym czasie Ross i jego kolega Fariba Fahroo prowadzili badania nad teorią optymalnego sterowania i obliczeniami. Więcej o teorii kontroli optymalnej przyjrzymy się później.

Dzisiaj DIDO jest częścią rozwiązań sprzętowych i programowych sprzedawanych przez Elissar Global. W tym artykule omówiono rodzaje problemów, które DIDO pomaga rozwiązać, oraz niektóre zapierające dech w piersiach zastosowania technologii optymalnego sterowania DIDO. Zacznijmy od przyjrzenia się, jak naukowcy z wielu dziedzin wykorzystują DIDO.

1. Pseudospektralna optymalna kontrola
2. DIDO w kosmosie
3. Inne aplikacje DIDO

Termin na problem, który rozwiązuje DIDO, to kontrola optymalna. W rachunku różniczkowym teoria sterowania optymalnego jest matematycznym podejściem do znalezienia najlepszej mechanicznej odpowiedzi w danym scenariuszu przy określonym zestawie warunków. Matematycznie sterowanie optymalne to zestaw równań różniczkowych, które minimalizują koszt (maksymalizują zysk) osiągnięcia pożądanego rezultatu. Nie martw się! Za chwilę uprościmy tę koncepcję.

Aby zrozumieć optymalną kontrolę, zatrzymajmy na chwilę czas. Poczuj wrażenia otaczającego Cię świata: widoki, dźwięki, zapachy, smaki i odczucia fizyczne. Teraz połącz to ze wszystkim, co znajduje się w twoim mózgu . Sposób, w jaki reagujesz na wszelkie nowe bodźce wokół ciebie, będzie oparty na wszystkich tych informacjach. Jak byś teraz zareagował na dźwięk dzwonka do drzwi lub zapach świeżo upieczonych ciasteczek?

Komputery mogą przetwarzać podobne informacje sensoryczne na dane, próbując naśladować nasz potencjał umysłowy. Komputer może obliczyć najlepszą reakcję na dany bodziec, wykorzystując wszystkie te dane. Z punktu widzenia komputera „najlepszą” odpowiedzią byłaby akcja, która ma maksymalną opłacalność przy minimalnym koszcie. Ta koncepcja najlepszej odpowiedzi jest tym, co naukowcy i matematycy nazywają kontrolą optymalną.

Teraz odmroźmy czas i idźmy dalej. Nagle obliczenie optymalnej kontroli staje się bardziej skomplikowane. Z każdym ułamkiem sekundy zmieniają się warunki, a nowe dane sensoryczne do rozważenia. Dlatego największym wyzwaniem dla znalezienia optymalnego sterowania jest rozważenie tych ciągle zmieniających się warunków i odpowiednie przeliczenie. Nasze mózgi nieustannie dokonują tych przeliczeń, ale komputer musi mieć do tego jakiś program bodźców i odpowiedzi.

Ten złożony problem optymalnej kontroli wymaga dodania innej koncepcji rachunku różniczkowego: teorii pseudospektralnej. Teoria pseudospektralna polega na wykorzystaniu przybliżonych wartości do optymalnych obliczeń kontrolnych, z pewnymi znanymi ograniczeniami. Oprogramowanie DIDO znane jest z pseudospektralnego podejścia do problemów optymalnego sterowania. W ten sposób DIDO pomaga prowadzić maszyny, które muszą stale oceniać warunki otoczenia i odpowiednio reagować, w tym samochody i samoloty.

Do tej pory ustaliliśmy, czym jest sterowanie optymalne i znaczenie teorii pseudospektralnej. Następnie przybliżmy, a raczej pomniejszmy, do przestrzeni kosmicznej , gdzie DIDO miało swoje najbardziej znaczące zastosowanie.

Problem Dido

Historia starożytnego Rzymu i Grecji obejmuje kobietę o imieniu Elissar lub Elissa, znaną jako królowa Kartaginy. Nazywano ją także Dydoną, szczególnie w „Eneidzie” Wergiliusza. Legenda głosi, że Dydona uciekła ze swojej rodzinnej Fenicji wraz z kilkoma innymi osobami, a kiedy znalazła miejsce, w którym chciała się osiedlić, zawarła z tamtejszym królem układ, aby uzyskać ziemię, która miała stać się miastem Kartagina (w dzisiejszej Tunezji). . W umowie Dido dostanie tyle ziemi, którą mogłaby oznaczyć skórą byka. Dido i jej koledzy zrobili długi sznurek z małych pasków wyciętych z jednej skóry byka. Następnie wybrali linię brzegową jako granicę i ułożyli sznurek w półokręgu z tą granicą przybrzeżną. Król był zdziwiony, że przybyszom udało się oznaczyć tak dużą ilość ziemi. W matematyce, Dido”s problemto nazwa nadana do znalezienia figury, która daje maksymalny obszar przy danej linii granicznej i obwodzie pozostałych boków. Postać, która daje ten maksymalny obszar, jest, jak zauważyła legendarna Dydona, półkolem wzdłuż danej linii granicznej.

Według Elissar Global najszersze zastosowanie jej oprogramowania znajduje się w kosmosie. Jest to prawdopodobnie najbardziej intuicyjna aplikacja dla DIDO, ponieważ pojazdy i inne maszyny w kosmosie w dużym stopniu opierają się na automatyzacji lub zdalnym sterowaniu, a nie na bezpośrednich działaniach człowieka. Tam komputer, który może wykryć, co się wokół niego dzieje i szybko określić najlepszą odpowiedź, jest cennym zasobem.

Dwa szczególne zastosowania DIDO przyczyniły się do znacznego wzrostu reputacji oprogramowania jako rozwiązania problemów optymalnego sterowania. Pierwszy z nich miał miejsce w 2006 roku, kiedy DIDO zmierzyło się z celem manewrowania Międzynarodową Stacją Kosmiczną (ISS) o 180 stopni na jej ścieżce orbitalnej bez wydawania paliwa. Zazwyczaj ISS ​​i inne pojazdy na orbicie muszą używać do manewrowania silników odrzutowych, które wymagają drogiego paliwa. Twórca DIDO Ross i inni badacze wpadli na pomysł, że możliwy jest manewr z zerowym paliwem (ZPM).

DIDO użyto dwukrotnie do tych manewrów z zerowym paliwem, każdy z sukcesem. 5 listopada 2006 roku zespół manewrował ISS pod kątem 90 stopni. Cztery miesiące później, 3 marca, udało im się obrócić o 180 stopni. Eksperymenty te były dowodem koncepcji na dużą skalę dla DIDO, dzięki czemu zyskała sławę jako wiodąca technologia optymalnego sterowania.

W 2010 r. innym zastosowaniem DIDO było manewrowanie satelitą NASA Transition Region i Coronal Explorer (TRACE). TRACE miał misję zbadania Słońca, ale podczas 12-letniego przedsięwzięcia ledwo się poruszał. Jak pokazały badania TRACE, protokół NASA podążania po linii prostej między dwoma punktami mógł zidentyfikować najkrótszą odległość do przebycia, ale daleko jej do najszybszej trasy. Tak więc, gdy satelita musiał się obrócić (przesunąć pod kątem) do nowego punktu, trwało to znacznie dłużej niż to konieczne, ponieważ próbował trzymać się tej prostej ścieżki.

Badania manewrowe TRACE rozpoczęły się w momencie, gdy satelita miał zostać wycofany z użytku przez Centrum Inżynierii i Bezpieczeństwa NASA (NESC). Inżynierowie z NESC pozwolili Markowi Karpenko objąć prowadzenie w eksperymencie mającym na celu zastosowanie obliczeń DIDO i połączenie w górę optymalnego narastania dla TRACE. Postawiono hipotezę, że optymalna ścieżka wykorzystująca grawitację jako zaletę zapewni bardziej efektywne podejście do obrotu. Pomysł ten odnosi się do zasady Bernoulliego w fizyce.

Pomimo ograniczonej dwumiesięcznej rotacji, zespół badawczy TRACE był w stanie udowodnić swoją hipotezę. Ponadto TRACE wymagał mniej niż połowy energii elektrycznej podczas każdego uderzenia. Obserwatorzy opisali manewr satelity TRACE tak, jakby tańczył w przestrzeni. To właśnie nazywamy tańcem z gwiazdami!

W następnej kolejności schodzimy z orbity i sprawdzamy, jak DIDO robi to duże tutaj na Ziemi.

DIDO ma służyć jako ogólne podejście do rozwiązywania problemów optymalnego sterowania. Oznacza to, że powinien łatwo zintegrować się z dowolnym systemem autonomicznym, bez względu na rodzaj danych wejściowych, które przetwarza ten system, o ile korzysta z platformy obliczeniowej MATLAB działającej w systemie Microsoft Windows. Przez system autonomiczny rozumiemy połączenie sprzętu i oprogramowania, które funkcjonują razem jako byt robota i samodzielnie określa sekwencję działań, które musi wykonać, aby wykonać dane zadanie. W pewnym sensie system autonomiczny to robot, który potrafi rozwiązywać własne problemy.

To dlatego, że DIDO jest tak ogólne, że naukowcy zarówno w środowisku akademickim, jak i przemysłowym znaleźli sposoby na zastosowanie oprogramowania do rozwiązywania szerokiego zakresu optymalnych problemów sterowania. Widzimy to wyraźnie w robotyce, gdzie naukowcy mogą zintegrować DIDO z istniejącym oprogramowaniem w systemie autonomicznym. Ross, twórca DIDO, powiedział w wywiadzie, że jeden z jego byłych uczniów w szczególności zastosował oprogramowanie do robotów naziemnych z niesamowitymi wynikami. Ten sam doktorat Absolwent badał nawigację wielu zrobotyzowanych pojazdów po wzburzonych wodach bez ich kolizji.

Inną dziedziną, w której DIDO zyskuje na sile, jest aeronautyka. Wcześniej podaliśmy przykład wszystkich warunków, które wpływają na sposób kierowania samolotem. Ten przykład nie był arbitralny: wybraliśmy go, ponieważ DIDO było w stanie to zrobić. Oprócz pomocy w znajdowaniu trajektorii lotu dla szybowców, DIDO pomaga również w optymalizacji zużycia paliwa w samolotach. Amerykański Instytut Aeronautyki i Astronautyki (AIAA) opublikował badania naukowców z całego świata, którzy wykorzystywali DIDO w swojej pracy.

Jedna z unikalnych aplikacji DIDO wykorzystuje obliczenia optymalnego sterowania do sterowania podmorskim szybowcem, bezzałogowym autonomicznym systemem w postaci skrzydlatego pojazdu podwodnego. Naukowcy z Virginia Tech przyjrzeli się sposobom, aby taki szybowiec mógł poruszać się w wodzie jak morświn, co jest zarówno energooszczędne, jak i przydatne podczas badań oceanograficznych. Jednym z wyzwań zespołu było zajęcie się efektem zwłoki przy przechodzeniu z trajektorii opadającej do wznoszącej. Zespół poinformował, że DIDO było najłatwiejszą metodą rozwiązania dla nich do skonfigurowania i uruchomienia badań, chociaż zgłosili również uzyskanie podobnych obliczeń za pomocą innego narzędzia [źródło: Kraus, Cliff, Woolsey i Luby ].

W całym tym artykule przyjrzeliśmy się, jakie są problemy optymalnego sterowania, w jaki sposób DIDO pomaga je rozwiązać oraz w jaki sposób naukowcy zastosowali DIDO w różnych dziedzinach komercyjnych i akademickich. Zoptymalizuj swoje doświadczenie z DIDO, sprawdzając jeszcze więcej informacji na następnej stronie.

Powiązane artykuły

Więcej świetnych linków