Как работает DIDO

Представьте, что вы слышите телефонный звонок. Что вы делаете в первую очередь? Это, вероятно, зависит от многих вещей, например, где вы находитесь, время суток, что вы делаете, кто с вами, как звучит мелодия звонка и действительно ли это ваш телефон. Если вы идете по продуктовому магазину и слышите телефонный звонок в нескольких проходах от вас, вы, вероятно, поймете, что это не ваш телефон, и просто проигнорируете его. Если вы находитесь в машине, вы можете решить, сможете ли вы ответить на звонок в зависимости от трафика или у вас есть устройство громкой связи.

Это множество переменных, которые просто необходимы для того, чтобы решить, отвечать ли по телефону, и вы, вероятно, могли бы подумать о многих других причинах, по которым вы могли бы ответить или проигнорировать звонок телефона. Наш мозг - это мощные компьютеры, которые могут быстро обработать все эти условия, выбрать лучший ответ и дать указание нашему телу действовать. На протяжении всей истории человечества создание машины, способной правильно воспроизвести этот процесс в любом сценарии, было почти невозможно. Однако сегодня такие технологии, как программное и аппаратное обеспечение DIDO, помогают сделать такие машины реальностью.

Так же, как нет единственного правильного ответа на звонок телефона, нет единого правильного способа управлять самолетом или двигать ногами робота. Однако может быть лучший ответ, учитывая все условия, влияющие на сценарий. В случае с самолетом на то, как пилот направляется к месту назначения, влияют высота, скорость, направление ветра, скорость воздуха и любая из сотни других переменных в данный момент времени. Пилоты-люди обрабатывают всю эту информацию и реагируют на нее.

Может ли компьютер действительно воспроизвести этот процесс? Вот где на помощь приходят такие технологии, как DIDO. DIDO - это программное обеспечение, запрограммированное для работы на платформе научных вычислений MATLAB, которая, в свою очередь, требует Microsoft Windows. Компьютеры могут использовать DIDO для обработки больших и постоянно изменяющихся объемов данных с целью получения надежного ответа. DIDO был разработан в конце 1990-х профессором Аспирантуры ВМС США Исааком «Майком» Россом. В то время Росс и его коллега Фариба Фахру проводили исследования в области теории оптимального управления и вычислений. Позже мы подробнее рассмотрим теорию оптимального управления.

Сегодня DIDO является частью аппаратных и программных решений, продаваемых Elissar Global. В этой статье рассказывается о проблемах, которые помогает решать DIDO, и о некоторых захватывающих технологических применениях технологии оптимального управления DIDO. Давайте начнем с того, как исследователи из многих областей используют DIDO.

1. Псевдоспектральное оптимальное управление
2. ДИДО в космосе
3. Другие приложения DIDO

Термин для проблемы, которую решает DIDO, - это оптимальное управление. В математическом анализе теория оптимального управления - это математический подход к поиску наилучшего механического отклика в заданном сценарии при заданном наборе условий. Математически оптимальное управление - это набор дифференциальных уравнений, которые минимизируют стоимость (максимизируют отдачу) достижения желаемого результата. Не волнуйтесь! Мы собираемся значительно упростить эту концепцию.

Чтобы понять оптимальное управление, давайте на мгновение остановим время. Ощутите окружающий мир: образы, звуки, запахи, вкусы и физические ощущения. Теперь объедините это со всем, что хранится в вашем мозгу . То, как вы реагируете на любой новый стимул вокруг вас, будет основано на всей этой информации. Как бы вы сейчас отреагировали на звонок в дверь или запах свежеиспеченного печенья?

Компьютеры могут преобразовывать аналогичную сенсорную информацию в данные, пытаясь имитировать возможности нашего мозга. Компьютер может рассчитать лучший ответ на данный стимул, используя все эти данные. С точки зрения компьютера, «лучшим» ответом будет действие, дающее максимальную отдачу при минимальных затратах. Эту концепцию наилучшего отклика ученые и математики называют оптимальным контролем.

Теперь давайте разморозим время и снова двинемся вперед. Внезапно вычисление оптимального управления усложняется. По мере прохождения каждой доли секунды условия меняются, и необходимо учитывать новые сенсорные данные. Таким образом, самая большая проблема для поиска оптимального управления - это учесть эти постоянно меняющиеся условия и произвести соответствующий пересчет. Наш мозг постоянно производит эти пересчеты, но для этого у компьютера должна быть какая-то программа «стимул-реакция».

Эта сложная задача оптимального управления требует добавления еще одной концепции исчисления: псевдоспектральной теории. Псевдоспектральная теория предполагает использование приближенных значений для расчетов оптимального управления с некоторыми известными ограничениями. Программное обеспечение DIDO известно своим псевдоспектральным подходом к задачам оптимального управления. Таким образом, DIDO помогает управлять машинами, которым необходимо постоянно переоценивать окружающие условия и соответствующим образом реагировать, включая автомобили и самолеты.

Итак, мы определили, что такое оптимальное управление и значение псевдоспектральной теории. Затем давайте увеличим или, вернее, уменьшим масштаб космического пространства , где у DIDO было самое заметное применение.

Проблема Дидоны

Древняя римская и греческая история включает в себя женщину по имени Элиссар или Элисса, известную как царица Карфагена. Ее также звали Дидона, особенно в «Энеиде» Вергилия. Легенда гласит, что Дидона бежала из своей родной Финикии с несколькими другими, и когда она нашла место, которое хотела поселиться, она заключила сделку с королем там, чтобы получить землю, которая станет городом Карфаген (в современном Тунисе). . По условиям сделки Дидона получит столько земли, сколько сможет разметить бычьей шкурой. Дидона и ее коллеги сделали длинную веревку из небольших полосок, вырезанных из единственной бычьей шкуры. Затем они выбрали береговую линию в качестве границы и уложили веревку полукругом с этой береговой границей. Король был удивлен, что пришельцы смогли отметить такой большой участок земли. В математике Дидонаs проблемаэто имя, данное для поиска фигуры, которая дает максимальную площадь с учетом линии границы и периметра для остальных сторон. Как заметил легендарный Дидона, фигура, образующая максимальную площадь, представляет собой полукруг вдоль данной границы.

По данным Elissar Global, наиболее широкое применение ее программного обеспечения было в космосе. Это, вероятно, наиболее интуитивно понятное приложение для DIDO, поскольку транспортные средства и другие машины в космосе в значительной степени полагаются на автоматизацию или дистанционное управление, а не на прямые действия человека. Там, компьютер, который может чувствовать, что происходит вокруг него, и быстро определять лучший ответ, является ценным активом.

Два конкретных приложения DIDO значительно укрепили репутацию программного обеспечения для решения задач оптимального управления. Первый из них был в 2006 году, когда DIDO решила выполнить маневр Международной космической станции (МКС) на 180 градусов по ее орбитальной траектории без расхода топлива. Как правило, МКС и другие аппараты на орбите должны использовать двигатели для маневра, что требует дорогостоящего топлива. Создатель DIDO Росс и другие исследователи предположили, что маневр без ракетного топлива (ZPM) возможен.

DIDO использовался дважды для этих маневров без ракетного топлива, каждый из которых был успешным. 5 ноября 2006 года команда маневрировала на МКС на 90 градусов. Четыре месяца спустя, 3 марта, им удалось развернуться на 180 градусов. Эти эксперименты стали масштабным подтверждением концепции DIDO, прославив ее как ведущую технологию оптимального управления.

В 2010 году еще одним применением DIDO было управление спутником NASA Transition Region и Coronal Explorer (TRACE). TRACE выполнял миссию по изучению Солнца, но за 12 лет своего существования он почти не двигался. Как показало исследование TRACE, протокол НАСА о следовании прямой линии между двумя точками, возможно, определил кратчайшее расстояние для путешествия, но это был далеко не самый быстрый маршрут. Итак, когда спутнику нужно было повернуться (переместиться под углом) в новую точку, это заняло гораздо больше времени, чем необходимо, потому что он пытался придерживаться этого прямого пути.

Исследование маневрирования TRACE было проведено как раз в тот момент, когда спутник собирался вывести из эксплуатации Центром инженерии и безопасности НАСА (NESC). Инженеры из NESC позволили Марку Карпенко возглавить эксперимент по применению расчетов DIDO и оптимальному нарастанию скорости для TRACE в восходящем канале. Гипотеза заключалась в том, что оптимальный путь с использованием силы тяжести в качестве преимущества обеспечит более эффективный подход к повороту. Эта идея связана с принципом Бернулли в физике.

Несмотря на ограниченный двухмесячный оборот, исследовательская группа TRACE смогла подтвердить свою гипотезу. Кроме того, TRACE требовал менее половины электроэнергии во время каждого поворота. Наблюдатели описали маневр спутника TRACE как будто он танцует в космосе. Вот что мы называем танцами со звездами!

Далее мы выходим с орбиты и проверяем, как DIDO добивается успеха здесь, на Земле.

DIDO задуман как общий подход к решению задач оптимального управления. Это означает, что он должен легко интегрироваться в любую автономную систему, независимо от того, какие типы ввода эта система обрабатывает, при условии, что она использует вычислительную платформу MATLAB, работающую в Microsoft Windows. Под автономной системой мы подразумеваем комбинацию аппаратного и программного обеспечения, которая функционирует вместе как роботизированный объект и самостоятельно определяет последовательность действий, которые ей необходимо выполнить для выполнения данной задачи. В некотором смысле автономная система - это робот, который может решать свои собственные проблемы.

Это связано с тем, что DIDO настолько универсален, что исследователи как в академических кругах, так и в промышленности нашли способы применения программного обеспечения для решения широкого круга задач оптимального управления. Мы видим это в робототехнике, где исследователи могут интегрировать DIDO с существующим программным обеспечением в автономную систему. Создатель DIDO Росс сказал в интервью, что один из его бывших учеников, в частности, применил это программное обеспечение для наземных роботов с поразительными результатами. Тот самый доктор философии. Выпускник исследовал возможность перемещения нескольких роботизированных транспортных средств через бурную воду без их столкновения.

Еще одна область, в которой DIDO набирает обороты, - это аэронавтика. Ранее мы приводили пример всех условий, определяющих, как управлять самолетом. Этот пример не был произвольным: мы выбрали его, потому что DIDO смогла это сделать. Помимо помощи в поиске траекторий полета планеров, DIDO также помогает в оптимизации топлива для самолетов. Американский институт аэронавтики и астронавтики (AIAA) опубликовал исследования исследователей со всего мира, которые использовали DIDO в своей работе.

Одно уникальное приложение DIDO применяет расчеты оптимального управления для управления подводным планером, беспилотной автономной системой в форме крылатого подводного аппарата. Исследователи из Технологического института Вирджинии изучали способы обеспечить, чтобы такой планер мог двигаться, как морская свинья, по воде, что является одновременно энергоэффективным и полезным при проведении океанографических исследований. Одна из задач команды заключалась в устранении эффекта остановки при переходе от нисходящей траектории к восходящей. Команда сообщила, что DIDO был для них самым простым методом решения, который можно было настроить и запустить для своих исследований, хотя они также сообщили о получении аналогичных расчетов с другим инструментом [источник: Kraus, Cliff, Woolsey and Luby ].

В этой статье мы рассмотрели, что такое проблемы оптимального управления, как DIDO помогает их решать, а также новаторские способы, которыми исследователи применяют DIDO в различных коммерческих и академических областях. Оптимизируйте работу с DIDO, ознакомившись с дополнительной информацией на следующей странице.

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок