СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................. 4
Глава Г. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................9
1.1. Различные типы роботов...........................................9
1.2. Описание колесных платформ с двумя ведупцими колесами...........11
1.3. Описание моделей колесных роботов и роботов, снабженных системой навигации..........................................................14
1.4. Математические методы расчета движения колесных роботов.........23
1.5. Цели и задачи работы............................................34
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКОВЫХ РЕЖИМОВ КОЛЕСНОГО МОБИЛЬНОГО РОБОТА......................................................36
2.1 Математическая модель колесного робота при движении по прямолинейном движением........................................................ 36
2.1.1 Моделирование эффекта трения качения в состоянии покоя.......41
2.1.2 Математическая модель движения робота с учетом проскальзывания ведущего колеса................................................43
2.2. Дифференциальные уравнения движения робота при пуске без учета проскальзывания......................................................44
2 3. Дифференциальные уравнения движения робота при пуске с учетом проскальзывания....................................................47
2.4 Аналитическое решение дифференциальных уравнений движения робота....50
2.5 Анализ результатов исследования пусковых реэ/симов без учета проскальзывания ведущего колеса....................................52
2.6 Результаты численного моделирования..............................55
2.7 Анализ управления движением робота с обратной связью в системе управления.........................................................59
2.8 Анализ влияния пусковых режимов на нормальные реакции действующие на колеса робота......................................................62
2.9 Выводы по главе 2................................................66
Глава 3. ДИНАМИКА РОБОТА С УПРУГОВЯЗКИМ ЭЛЕМЕНТОМ В ПОДВЕСКЕ...............................................................67
3.1 Кинематические соотношения робота супруговязким звеном.........67
3.2 Расчет величины деформации пруэ/сины...............................68
3.3 Условия равновесия робота (УО—О)................................. 70
3.4 Динамика робота с учетом упругого элемента в подвеске..............75
3.5 Результаты моделирования процесса разгона робота...................82
3.6 Выводы по главе 3..................................................87
Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОЛЕСНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА ПО КРИВОЛИ11ЕЙНОЙ ТРАЕКТОРИИ. 8 8
4.1. Описание движения робота по заданной траектории...................88
4.2. Исследование управляемого поворота робота при пуске...............91
4.3. Исследование двнесения робота по 6'- образной траектории..........93
4.4. Система автоматического управления для движения по заданной траектории..........................................................101
4.4.1. Структурная схема управления движением по заданной траектории ....101
4.4.2. Моделирование системы управления движением робота по заданной траектории......................................................109
4.4.3. Система управления роботом для движения по заданным траекториям 113
4.5. Практическая реализация колёсного мобильного робота с системой навигации...........................................................120
4.5.1. Описание конструкции колесного мобильного робота.............120
4.5.2. Конструкция и принцип действия локатора инфракрасного диапазона 122
4.5.3. Выбор электродвигателя локатора..............................124
4.5.4 Система автоматического управления углом поворота платформы...128
4.6. Принцип работы системы управления................................132
4.6.1. Моделирование работы фильтра низких частот для регистрации ИК
сигнала.............................................................133
4.6.2 Управляющие алгоритмы.........................................135
4.7. Выводы по главе..................................................138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................140
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................142
3
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мире интенсивно расширяется область использования мобильных роботов. Для успешного выполнения обширного круга задач роботы должны обладать высокой маневренностью, быстродействием и точностью движения по заданным траекториям.
Область применения колесных мобильных роботов чрезвычайно разнообразна и включает такие важные сферы человеческой деятельности, как автоматизированное производство, строительство, космос, оборона, медицина, сельское хозяйство и т.д. Особенно высокие требования предъявляются к сервисным роботам, выполняющим технологические задачи в условиях взаимодействия с человеком.
Высокое быстродействие колесных роботов достигается при использовании новых кинематических схем, а также развитых систем приводов, оснащенных устройствами контроля тягового усилия. Исследованию движения колесных роботов посвящены работы многих отечественных исследователей, в том числе В.М. Буданова, Е.А. Девянина, С.Л. Зенкевича, Ю.Г. Мартыненко, Д.Е. Охоцимского, В.Е. Павловского, Ю.В. Подураева, А.М. Формальского, а также и зарубежных ученых: G. Bastin, G. Campion, С. Canudas de Wit, W. Dixon, Y.H. Fung, A. Isidori и др. В то же время вопросы быстрого пуска робота, разгона и выхода на заданный уровень скорости изучены недостаточно. Однако именно здесь скрываются резервы повышения быстродействия робота. Таким образом, актуальность темы исследования определяется необходимостью создания колесных роботов оснащенных более, совершенными пусковыми устройствами, обеспечивающими качественные и количественные характеристики движения.
Объектом исследования является колесный мобильный робот с двумя ведущими колесами, оснащенный средствами анализа динамических процессов пусковых режимов.
4
Цель работы и основные задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности движения мобильного робота за счёт разработки пусковых устройств робота и создания методов расчёта динамических неустановившихся режимов движения.
Методы- исследования. Для решения поставленных задач использовались различные разделы теоретической механики, теории механизмов и машин, методы математического моделирования динамических систем. При создании программных продуктов использованы математические пакеты МаШСАВ, МайаЬ/8ипи1тк.
Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе математического аппарата неголономной механики, а также методов экспериментальных исследований. Результаты экспериментальных исследований полностью согласуются с теоретическими результатами.
Научная новизна работы заключается в совершенствовании математических моделей, описывающих динамику управляемого движения робота при пуске по прямолинейной и криволинейной траекториям и с учетом упруговязкого элемента в подвеске, выявлении параметров движения робота, соответствующих различным его режимам: с проскальзыванием и без проскальзывания ведущих колес, с отрывом и без отрыва ведущего колеса от плоскости опоры.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель движения робота при пуске по прямолинейной и криволинейной траекториям, отличающаяся тем, что учтены трение качения и трение скольжения и используется электропривод ограниченной мощности.
2. Зависимость времени пуска от динамических параметров привода и метод форсированного пуска, обеспечивающий быстрый разгон робота, повышающий быстродействие в 3,5 раза по сравнению с традиционным пуском.
3. Зависимости скорости разгона робота от динамических параметров электропривода, позволившие синтезировать параметры привода, использование которого обеспечивает соответствие получаемых и заданных динамических характеристик робота с погрешностью не более 5%.
4. Математическая . модель движения* мобильного робота с учетом упруговязкого элемента в подвеске, позволяющая' установить область, рациональных параметров с учетом того, что с уменьшением жесткости упругого элемента время переходного процесса возрастает.
Структура п обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 104 наименований. Основная часть работы изложена на 152 страницах машинописного текста1. Практическая ценность, работы, состоит в разработке экспериментального образца, оснащенного системой форсированного пуска, для повышения быстродействия, робота. Пусковое устройств спроектировано на основе методики расчета пусковых режимов, предложенных в работе. Этот
образец может быть использован для проведения экспериментальных исследований в рамках решения задач мехатроники. Созданные методики расчета роботов могут применяться при проектировании сервисных роботов, роботов для работы в условиях чрезвычайных ситуаций, а также могут применяться в учебном процессе. Результаты проведенных в работе исследований использованы при выполнении гранта РФФИ №08-08-00438-а «Динамика и управление движением автономных вибрационных мобильных микророботов по шероховатой поверхности» (2008-2010 гг.), госконтрактов №П2228 от 11.11.2009 г., №П2285 от 13.11.2009 г. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на вузовской научной конференции студентов и аспирантов* в
области научных исследований «Молодежь и XXI век» (г. Курск, 2009), VII
Междунар. науч.-техн. конф. «Современные инструментальные системы,
6
информационные технологии и инновации: материалы» (Курск, 2010), IV Международной научно-технической конференции «Управляемые вибрационные технологии и машины» (г. Курск, 2010), V научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение, технология, безопасность, управление: материалы» (г. Ковров, 2010), 11 Международной молодёжной научной конференции «Молодёжь и ХХЬ век» (г. Курск, 2010), Междунар. науч.-практи. конф. «Применение инновационных технологий в научных исследованиях» (г. Курск, 2010), И' Всероссийской научной конференции «Научное творчество' XXI века» (г. Краснояск, 2010), Всероссийской научной школе для< молодежи «Мехатроника, робототехника. Современное состояние и тенденции развития» (г. Курск, 2011), Всероссийской* научно-технической-конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (г. Воронеж, 2011).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ в том числе: 15 статей (из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ), 1 свидетельство' о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 патент на полезную модель.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы, формулируется цель и задачи исследования.
В первой главе рассмотрены различные типы роботов, приведена структура исполнительных систем мобильных роботов, проведен анализ существующих моделей колесных модулей мобильных роботов. Сформулированы цели и задачи диссертации.
Во второй главе описана математическая модель движения трехколёсного робота по прямолинейной траектории с двумя ведущими колесами. Сформулированы условия пуска при наличии трения качения и условия проскальзывания, описан режим разгона робота из нулевых начальных условий для различных стратегий управления
7
В третьей главе описана математическая модель движения трехколёсного робота по прямолинейной траектории с учетом упругого элемента в подвеске, описан режим разгона робота из нулевых начальных условий. Определена величина деформации упругого элемента как в статических, так и динамических условиях.
В четвертой главе построена математическая модель колёсного робота с двумя ведущими колесами, проведено моделирование движения робота по Б-образной траектории. Определены требования, и обосновывается структура системы слежения за траекторией.
Разрабатывается конструкция колёсного мобильного робота, описываются основные блоки его структуры, строится система автоматического управления, описываются принципы и разрабатывается система локальной навигации.
В заключении приведены основные результаты диссертации.
8
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1; Различные типы роботов
Можно выделить четыре принципиально различных типа, с точки-зрения среды обитания, мобильных роботов - наземные, воздухоплавающие, водоплавающие, подземные и космические.
Наземные мобильные роботы обычно подразделяются на три больших класса: колесные, шагающие и гибридные. Помимо этих трех наиболее многочисленных классов мобильных, роботов существует большое количество специализированных мобильных роботов, ориентированных на ограниченное применение. К их числу относятся рельсовые роботы, адсорбционные роботы (способные передвигаться по крутым- участкам, цепляясь за поверхность с помощью вакуумных присосок), роботы на магнитной или воздушной подушке, а также не попадающие ни в одну из. перечисленных групп ползающие роботы.
Мобильные роботы, предназначенные для выполнения только транспортных операций по перевозке грузов, - робокары - часто не имеют манипуляторов, а снабжены упрощенными одно и двухстепенными погрузо-разгрузочными устройствами. Последние операции могут выполняться стационарными манипуляторами, находящимися в местах остановки транспортных роботов.
В современных мобильных роботах нашли применение практически все известные транспортные средства. Кроме того, предметом робототехники являются различные бионические способы передвижения, заимствованные у живой природы и не освоенные ещё в технике. К ним, прежде всего, относится шагание. Основной специфической частью всех систем передвижения являются движители, преобразующие усилие от двигателей приводов в усилие, движущее систему передвижения.
В' мобильных роботах применяется целый ряд механизмов для перемещения в пространстве, включая колеса, гусеницы и ноги. Роботы с дифференциальным приводом оборудованы расположенными с двух сторон независимо активизируемыми колесами (или гусеницами, как в танке). Если колеса, находящиеся с обеих сторон, вращаются с одинаковой скоростью, то робот движется по прямой. Если же они вращаются в противоположных направлениях, то робот поворачивается на месте. Альтернативный вариант состоит в использовании синхронного привода, в котором каждое колесо может вращаться и поворачиваться вокруг вертикальной оси. Применение такой системы привода вполне могло бы привести к хаотическому перемещению, если бы не использовалось такое ограничение, что все пары колес поворачиваются> в одном направлении и вращаются с одинаковой скоростью.
И дифференциальный, и синхронный приводы являются неголономными. В некоторых более дорогостоящих роботах используются голономные приводы, которые обычно состоят из трех или большего количества колес, способных поворачиваться и вращаться независимо друг от друга.
Среди множества разнообразных типов мобильных роботов в настоящее
время наибольший практический интерес вызывают колесные наземные
мобильные роботы [7]. Предложено большое количество принципов
классификации колесных наземных мобильных роботов. Если
воспользоваться классификацией по способу управления работой колес, то
можно выделить следующие три группы колесных роботов: автомобильная
группа (поворот осуществляется только за счет передних колес); группа с
произвольным независимым управлением поворотом каждого колеса влево
или вправо (например, кресло-каталка); группа роботов, способных
перемещаться, во всевозможных направлениях. Большинство применяемых
на практике колесных мобильных роботов относится ко второй группе, т.е.
данный метод управления оказывается наиболее важным. Что* касается
10
роботов, колеса которых могут поворачиваться в любую сторону, то они пока находятся на. стадии экспериментальных исследований и опытных испытаний.
Для того чтобы робот мог функционировать, ему недостаточно быть оборудованным только датчиками и исполнительными механизмами. Полноценный робот должен также иметь источник энергии для. привода' своих исполнительных механизмов. Для приведения- в действие манипулятора и для передвижения чаще всего используются электродвигатели; определенную область применения имеют также пневматические приводы, в которых используется сжатый газ, и гидравлические приводы, в которых используется жидкость под высоким давлением. Кроме того, в большинстве роботов имеются; некоторые средства цифровой связи наподобие беспроводной сети. Наконец, робот должен иметь жесткий корпус, на который можно было бы навесить все эти устройства.
1.2. Описание колесных платформ с двумя ведущими колесами
Диапазон применения колесных роботов чрезвычайно • широк. Полная автоматизация производственных процессов, осуществляется с применением транспортных робототехнических платформ, позволяющих свести участие людей в производстве к минимуму. При установке на такие платформы навесного оборудования различного типа можно выполнять не только транспортные, но и технологические операции. Поэтому одним из наиболее актуальных направлений в современной робототехнике является разработка мобильных конструкций. Они способны производить широкий круг операций, непосредственное выполнение которых человеком вредно, опасно, либо вообще невозможно.
В настоящий момент разработано большое количество различных типов
колесных мобильных роботов. В! зависимости от области применения они
могут быть снабжены системой навигации различного типа, а также
11
специальными манипуляторами и различными приборами. Рассмотрим некоторые виды колесных роботов, разработанные ведущими специалистами в этой области.
Мобильная платформа МП-К2301
Верхний ярус мобильной платформы (рис. 1.1) может быть использован для установки дополнительного пользовательского оборудования.
Рис. 1.1. Мобильная платформа МП-К2301 Характеристики типовой конфигурации:
• длина: 230 мм;
• ширина: 300 мм;
• высота: 80 мм;
• вес: 0,9 кг;
• полезная нагрузка: 2 кг;
• максимальная скорость: 7 м/мин;
• питание: 12У.
Базовая комплектация МП-К2301:
• шасси К-2301 (шасси мобильной платформы представляет собой раму, на которой установлены два ведущих колеса с мотор-редукторами и одно рояльное колесо);
• два яруса для установки пользовательской аппаратуры и оборудования.
12
Универсальная мобильная платформа МП-М2301
Платформы данного типа позволяют создавать интеллектуальные, автономные, полуавтономные или телеуправляемые мобильные системы различного назначения (охранные системы для складских и производственных помещений, мобильные системы мониторинга, автоматизированной инвентаризации и пр.) с возможностью использования вне помещения.
За счет относительно большого диаметра колёс у данной платформы (рис. 1.2.) увеличен дорожный просвет, что даёт возможность использовать её вне помещений. Объём внутреннего приборного отсека позволяет устанавливать в него промышленные компьютеры формата РС/104.
Технические характеристики платформы: длина, мм - 440; ширина, мм -500; высота, мм - 350; вес, кг - 22; полезная нагрузка, кг - 25; максимальная скорость, м/с - 2; батареи - 2 шт. 12 В/12 А*ч.
Рис. 1.2. Мобильная платформа МП-М2301 Базовая комплектация МП-М2301:
• шасси М-2301 (шасси мобильной платформы представляет собой раму, на которой установлены два ведущих колеса с моторами, подруливающее колесо и платформа для аккумуляторов и другого оборудования);
13
- Київ+380960830922