Обоснование параметров и режимов движения работизированной машины

Одним из эффективных высокотехнологичных направлений развития сельского хозяйства является применение роботизированных систем для производства продукции растениеводства и животноводства. Эффективность роботизированных систем для производства продукции сельского хозяйства заключается не только в известных преимуществах автоматизации индустриального производства, но и в достижении технологического эффекта путем создания наиболее благоприятных условий для биологических объектов в растениеводстве и животноводстве. Специфика размещения растений в условиях защищенного грунта и условий их выращивания, зачастую, не дает возможности полноценно использовать ручной труд, а в ряде случаев присутствие человека в теплице подвергает опасности выращиваемые растения из-за вероятности бактериального и грибкового заражения. Снизить вероятность ухудшения качества урожая из-за болезней растений можно за счет своевременного выявления очагов поражения и оперативного их устранения на ранней стадии при помощи роботизированных машин.

Жители деревень, фермеры, колхозники и дачники каждый год вынуждены производить массу рутинных действий по обработке земли, посадке, прополке и сбору урожая. Многие действия довольно примитивны и повторяемы, а значит идеально подходят для автоматизации. В производственных условиях малых форм хозяйств становится целесообразно применять небольших роботов, способных выполнять значительную часть сельскохозяйственных работ.

В данной работе рассмотрена машина с дискретным взаимодействием с почвой. По сравнению с колесными или гусеничными транспортными средствами машины с дискретным колееобразованием наносят вред растениям и почве значительно меньше [72]. Кроме того, шагающие машины, благодаря маневренности их опор, способны передвигаться по крутым склонам и использовать опоры в качестве орудия труда.

Главное конструктивное отличие шагающих машин от колёсных и гусеничных состоит в движителе, обеспечивающем перемещение машины за счёт дискретного взаимодействия опоры с грунтом, а главное эксплуатационное преимущество — проходимость в тех ситуациях, где колёсные и гусеничные машины не в состоянии передвигаться [72, 73].

Основной целью работы является исследование динамических свойств движения шагающей машины. Шагающие машины способны передвигаться по сильно пересеченной местности. Шагающие машины, по сравнению с колесными и гусеничными транспортными средствами, не требовательны к качеству поверхности по которой она двигается. Задача создания шагающей машины — сложная задача механики, электроники и автоматики. Система управления шагающей машиной тоже весьма сложна и требует решения алгоритмических задач.

Синтез способа движения в реальном времени с учетом возникающих эффектов, обусловленных конструкцией и сменой движущихся опор на грунт имеет наибольшую сложность. Современное развитие вычислительной техники, микросхем и мощных полупроводниковых приборов открывает новые направления в развитии применения шагающих машин в сельском хозяйстве. В настоящие время разработка аппаратов, перемещающихся с помощью опор, стала одним из важных направлений развития робототехники.

Современные системы компьютерного зрения позволяют применять системы распознавания [68−70], которые способны выявлять болезнетворные микроорганизмы в теплицах. Выявление заболевания на начальной стадии является важным фактором отражающимся на количестве выхода готовой продукции. Своевременное выявлений заражения позволяет быстро принимать меры по обеззараживанию и лечению растений в условиях защищенного грунта. Использование роботизированного комплекса при возделывании растений в условиях защищенного грунта позволяет снизить затраты на ядохимикаты и антибактериальные препараты на 20% и снизить потери урожая от болезней на 15%.

Сторонники шагающих движителей весьма убеждены в целесообразности их повсеместного применения. Так, М. В. Горбешко (ИПМАШ РАН, Санкт Петербург), опираясь в основном на собственные исследования, в статье «Колесо и выживание человечества» доказывает пагубность использования колесного и гусеничного движителей следующим образом: «В результате деятельности Человека площади полей сокращаются, уступая место полупустыням и пустыням. Интенсивность опустынивания земли резко увеличилась с применением на полях техники. В 30-е годы XX века академик Вильяме требовал убрать с полей колесную и гусеничную технику, которая приводит к деградации почв. При использовании колесных и гусеничных машин в сельском хозяйстве наблюдается переуплотнение почвы. Машины на колёсах и гусеницах интенсивно уничтожают почвы тундры и лесотундры, восстановление которых проблематично.

Не меньшая проблема возникает при движении колёсной техники по дорогам. В конце XX века в развитых странах число автомобилей и количество автотрасс перешло критический рубеж, когда дороги занимают значительные территории, в результате большие площади не заняты растительностью. Для решения проблемы необходимы устройства, заменяющие колесо. Техническим решением является переход от колесных и гусеничных движителей к шагающим движителям. Некоторые сравнительные характеристики колёсной, гусеничной и шагающей техники иллюстрирует таблица 1.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики транспортных средств.

Характеристика Вид движителя колесный гусеничный шагающий.

Давление на грунт, кг/см 6−2 2,5−1,2 0,5−0,05.

Удельная тяга на переувлаж. грунте 0 0,05−0,1 0,6−1,0.

Максимальная скорость движения 40−25 25−45 25−15.

Деградация почвы макс. высокая отсутствует.

Переход с колёсных и гусеничных на шагающие движители позволит прекратить дальнейшую деградацию почвы." (цитата приведена с сокращениями) [83].

Адаптивные шагающие машины представляют собой средства, которые вытесняют традиционные колеи и колеса с сочлененными системами рычагов. Каждый узел такой системы отдельно снабжается энергией и координируется центральным контроллером. Только недавно благодаря усовершенствованию компьютеров стало возможным автоматически решать сложные задачи управления. Тем не менее требуемые алгоритмы управления очень сложны из-за необходимости обеспечивать изменение способа движения, зависящего от характера местности и скорости движения. Все это в идеале требует существенной обратной связи. Чтобы лучше понять сложность поставленной задачи, нужно закрыть глаза и попытаться сначала пройти, а затем взбежать по лестнице, не прибегая к тем преимуществам, которые дает использование визуальной обратной связи.

Исследования шагающих машин проводятся давно. Основные направления, в которых они ведутся, основаны либо на использовании шарнирных многозвенных механизмов с одной степенью свободы в качестве движителей машин [1], либо на проектировании систем с большим числом степеней свободы, использующих сложные управляющие комплексы, включающие ЭВМ.

Роботы и шагающие машины по своей структуре и функциональным характеристикам во многом копируют человека и животных. Поэтому очень важно развитие исследований по биомеханике и по физиологии. Здесь мы имеем в виду изучение биомеханических характеристик опорно-двигательного аппарата человека, животных, насекомых, затем физиологических процессов, лежащих в основе управления двигательными процессами, получения слуховой, зрительной и других форм информации, наконец, процессов пространственной ориентации и средств, обеспечивающих устойчивость живых существ [84].

Основные результаты исследований докладывались на: международной научно-практической конференции посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ «Научные проблемы автомобильного транспорта» (г. Москва, 20−21 мая 2010 года) — первой всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса» (г. Магадан, Северо-восточный Государственный Университет, 29−30 ноября 2010) — международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве» (Москва, МГАУ, 12−13 мая 2011 года), 10-й международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (г. Оренбург, ОГУ, 25−27 октября 2011 года) — Международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве» (Москва, МГАУ, 20−22 февраля 2012 года) — Международной научно-практической конференции «Инновационные агроинженерные технологии в сельском хозяйстве» (Москва, МГАУ, 8−9 ноября 2012 года) — Международном форуме «Открытые инновации» (Москва, Экспоцентр, 29 октября — 1 ноября 2012).

Основные теоретические положения и результаты исследования опубликованы в 8 научных работах, в том числе 3 в журналах рекомендованных ВАК.

Цель работы — обоснование параметров и режимов движения роботизированной машины с дискретным колееобразованием.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1. Анализ научных предпосылок и тенденций развития электромеханических средств с дискретным колееобразованием.

2. Разработка математической модели движения электромеханического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения по неровной поверхности.

3. Разработка модели электромеханического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения по неровной поверхности.

4. Оценка экономической эффективности созданных электромеханических и программных средств.

Объекты исследования: модель электромеханического средства с дискретным колееобразованием.

Методы исследования Решение поставленных задач проведено с использованием системного и математического анализа, математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования, программирования с применением средств микропроцессорной и компьютерной техники. Используемые программы: AVR Studio 4, Apple Xcode 4.6, Microsoft Office Excel 2011, Компас 3D v. l 1.

Научная новизна Выполненные исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов, заключающихся в разработке: алгоритмов движения механического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движенияматематической модели движения электромеханического средства с дискретным колееобразованиемэлектротехнических и программных средств для устойчивого движения для электромеханического средства с дискретным колееобразованием.

Практическая ценность. Разработано новое электротехническое средство с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения. А также программные средства позволяющие моделировать и анализировать движение по неровной поверхности.

Реализаг}ыя результатов работы. Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе МГАУ имени В. П. Горячкина.

На защиту выносятся: методика определения параметров и режимов движения шагающей машины. алгоритмы движения механического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения и безматематическая модель движения электромеханического средства с дискретным колееобразованиемкомплект электротехнических и программных средств.

4.2 Общие выводы.

1. Обоснованы параметры и режимы движения роботизированной машины с дискретным колееобразованием. Установлено, что роботизированные машины можно оценить по таким параметрам, как длина шага по прямой, угол поворота за один шаг, проходимость по наклонной и неровной поверхности, максимальная высота преодолеваемого препятствия, скорость движения, грузоподъемность, энергоемкость движения и др.

2. Разработана математическая модель движения опор машины, а также методика расчета мощности приводов. Расчет показал, что при массе машины с полезной нагрузкой 3 кг, требуется крутящий момент привода не менее 10 кг см.

3. Разработана математическая модель движения электромеханического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения по неровной поверхности, позволяющая моделировать движение машины в виртуальном пространстве и давать оценку способа передвижения на заданной поверхности земли.

4. Разработана модель электромеханического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения по неровной поверхности, позволяющая получать статистические данные об энергоэффективности заданного алгоритма движения. Определены способы предотвращения опрокидывания шагающей машины при соскальзывании опоры в яму или проседании грунта под опорой. Система стабилизации движения обеспечивает удерживание корпуса в диапазоне углов ±3°. Для движения без стабилизации углы наклона корпуса могут превышать 25°. Шагающая машина способна передвигаться по наклонной твердой поверхности с уклоном до 49,7°, двигаться по камням, песку, пашне, перешагивать препятствия высотой до 16 см и преодолевать ступеньки высотой до 22 см.

5. Разработан контроллер управления сервоприводами робота позволяющий получать данные о движении шагающей машины с частотой 48 герц, что позволяет выбирать оптимальный способ передвижения для каждого конкретного типа поверхности в режиме реального времени. Контроллер также позволяет управлять дополнительным навесным оборудованием: системой внесения жидкого удобрения, системой выявления болезнетворных микроорганизмов.

6. Использование роботизированного комплекса при возделывании растений защищенного грунта позволяет снизить затраты на ядохимикаты и антибактериальные препараты на 20% и снизить потери урожая от болезней на 15%, в результате чего годовой экономический эффект может составить 110 тыс. руб. на 1 га. При этом окупаемость нового оборудования составит 1,5 года.