Скоростной механический сканатор мобильного наземного транспортного робота

1.1 Применение мобильных роботов.

Широко известно, что дальнейшее развитие технического прогресса в промышленности невозможно без широкого применения роботов. В настоящем время, роботы первого и второго поколения — широко распространены в промышленно развитых странах.

Технический уровень роботов непрерывно растет. Основные задачи в этих направленияхповышение точности, быстродействия и увеличения их функциональных возможностей.

Основные направления в области робототехники: создание адаптивных автономных роботов, которые могут заменить человека не только в выполнении монотонной изнурительной работы, но и выполнять работу там, где присутствие человека невозможно. Например, эти роботы могут быть использованы в условиях опасных для жизни человека. В этой связи, вопросы создания и проектирования автономных Мобильных Робототехнических Систем (МРС), которые могут функционировать в изменяющихся, неопределенных условиях реальной среды (например, вне помещений), — особенно актуальны в настоящее время.

В настоящее время значительная часть работ связана с разработкой МРС, например, работы. [42],. [52]. В этих работах рассмотрены различные типы МРС .В этих работах рассмотрены концепции «разработанной системы сенсоров» и «разработанной мобильной системы». Обычно, основная цель организовать групповое взаимодействие роботов для различных задач, решаемых в различных функциональных средах (большая область земли, воздух, водная среда, большие строения и т. п.).

Две наземных роботов можно выделить следующие проекты в этой области:

1) Разработка мобильной системы для тушения лесного пожара ([80]) и.

2) разработка мобильной системы для работы в областях, образованных естественными катастрофами ([93]).

Мобильные системы тушения лесных пожаров, описываемые в [80]. разрабатывались, для получения, анализа, интерпретации информации из различных источников и адекватной реакции на нее включают следующие блоки: искусственный спутниквертолетыпожарные бригады, связанные с МРСтранспорт для перевозки пожарных бригад, взаимодействующих с МРСмобильный управляющий центртранспорт, для перемещения робота и людейцентр связи и центр вычисления.

Мобильные системы для работы в областях катастроф, описанные [80] - к настоящему времени в стадии проектирования.

Реализация проекта намечена на начало 21-ого столетия. Общая схема предлагаемой мобильной системы включает следующие блоки: транспорт МРСлетающие МРС и манипуляторыМРС для воздушной рекогносцировкиМРС для тушения пожараМРС для тяжелых работ.

6.3 Выводы.

В этой главе получены следующие результаты.

Достоверность математической модели внешнего возмущения сканатора при движении МРС подтверждена. Ошибка не превышает заданное значение.

Экспериментально доказана работоспособность синтезированного алгоритма управления для трехстепенного сканатора, минимизирующего суммарную мгновенную мощность приводов сканатора. Система сканирования стабилизирует внешнее возмущение и реализует движение вдоль заданной желаемой траектории.

Преимущество трехстепенного сканатора, управляемого синтезированным оптимальным алгоритмом управления относительно двухстепенного сканатора, управляемого по типовому алгоритму экспериментально доказано.

Рис. 6.5 Схема экспериментального исследования 0.30 000 «0,20 000.

0100^00000l10,00000JlL20,30.00000Z40,1г50,0.

— 0,20 000 I—————————;

60.0 time.

D000.

Рис. 6.6 А Угловое возмущение системы сканирования при скорости МРС 5 м/с в 0,1 500 с 0,1 000 «0,500 0.0 -o, oo5ogoi -0,1 000 -0,1 500 -0,2 000.

Рис. 6.6 В Difference Between Given and Real Motion of Scanning system when MRC Robot is Equal to 5 m/s with Use Synthesised Control Algorithms for a Three Degrees Scanning system 0,3 000 0,2 000 co.

0,1 000 0,0 -0,010fl00i -0,2 000 -0,3 000 time.

Figure 6.6 С Difference Between Given and Real Motion of Scanning system when MRC Robot is Equal to 5 m/s with Use Traditional Control Algorithms for a Two Degrees Scanning system.

Ф 0,3 000 с 0,2 000 О о 01c0,00000jM!l о, 00000j^L20,30,00000/L40,50,J и.

0 бо.орооо.

— 0,2 000 time.

Рис. 6.7 А Угловое возмущение сканатора при скорости МРС 8 м/с в 0,3 000 «0,2 000 0,1 000 0,0 -0,01 оОФ -0,2 000 -0,3 000.

1 time.

Рис. 6.7 В Разница между реальным и заданным движением сканатора при скорости МРС 8 м/с при использовании синтезированного алгоритма для трехстепенного сканатора о> 0,4 000 -г а.

0,2 000.

0,0.

0,01 -0,2 000.

— 0,4 000.

300 35,0 time.

D000.

Figure 6.7 С Разница менеду реальным и заданным движением сканатора при скорости МРС 8 м/с при использовании традиционного алгоритма для двухстепенного сканатора.

Рис. 6.8 Схема практической реализации алгоритма управления сканатора.

7. ДИСКУССИЯ.

Диссертация посвящена проблемам проектирования механической системы сканирования и синтезу скоростных алгоритмов сканирования для некоторых типов сенсоров мобильной робототехнической системы. В диссертации получены следующие результаты:

Получена математическая модель транспортной подсистемы МРС при учете внешних возмущении.

Предложена и обоснована эффективная конфигурация кинематической схемы быстродействующего сканатора МРС.

Синтезированы скоростные алгоритмы просмотра заданного сектора пространства для различных типов сенсоров;

Синтезированы оптимальные алгоритмы управления для спроектированной системы сканирования.

Эти результаты обсуждаются в этой главе.

Математическая модель транспортной подсистемы МРС с учетом внешних возмущений.

Разработана математическая модель транспортной подсистемы телеуправляемо МРК. На основе результатов численного эксперимента обоснована ее справедливость, выполнена идентификация коэффициентов регрессии и оценка точности модели. Предложен метод формирования начальных данных на этапе энергетического расчета Применение предлагаемого способа при исследовании энергетики работы координаторов обеспечивает возможность отказа от использования в общей модели системы математической модели динамики транспортной подсистемы МРК, что существенно сокращает сроки разработки. Выполнен анализ математической модели МРК, при этом выявлены основные особенности наземных мобильных систем при воздействии на механизмы координаторов телеканалов. Проведенная оценка различных факторов внешних возмущающих воздействий позволила определить границы применимости ряда технических решений при реализации телеканалов МРК.

Выбор и обоснование целесообразной конфигурации кинематической схемы быстродействующего механического сканатора МРС.

Выбрана целесообразная кинематическая схема быстродействующего механического сканатора. Выбор базируется на аналитическом решении обратной задачи кинематики в положениях, скоростях и ускорениях для механизмов с кинематической избыточностью. Это трехосная кинематическая схема (см. рис. 3.1).

Решение не ограничивается возможностью перемещение целевой точки. Полученные уравнение были использованы для синтеза разработанного управляющего алгоритма, который способен быть реализован в бортовом компьютере. Также, эти уравнение могут использоваться на этапе анализа для традиционных схем двухосных механизмов. В дальнейшем, эта модель может быть использована для избежания необходимости численного интегрирования, тем самым уменьшая время вычисления и повышая точность результатов. Что позволяет уменьшать требования к памяти бортового компьютера.

Проведен анализ кинематики традиционных схем систем сканирования, используя разработанные методики. Благодаря проведенному анализу, доказано преимущество применения трехстепенных кинематических схем для механических систем сканирования. Использование такой схемы обеспечивает реализацию системы сканирования со следующими характеристиками: высокое быстродействиенебольшое потребление мощностирасширенная рабочая зона.

Кроме того, реализация этой схемы и синтезированного алгоритма управления позволяют не использовать гиростабилизированные платформы (это традиционное решение задачи стабилизации для систем сканирования). Это решение позволяет существенно уменьшить массо-инерционные и линейные характеристики размера сканирования системы сканирования, что достаточно важно для автономной МРС. Алгоритмы скоростного сканирования сектора пространства Предложен алгоритм оптимальной траектории обзора заданного сектора пространства, что обеспечивает замкнутую траекторию обзора без «петель», максимальная величина и равенство частот сканирования для различных подсекторов. Предложенный алгоритм позволяет уменьшить время вычислений и увеличить частоту просмотра некоторых подсекторов в два раза по сравнению с традиционными алгоритмами. Продемонстрирована возможность практического применения предложенного алгоритма для системы технического зрения МРК.

Предложены алгоритмы скоростного определения оптимального маршрута просмотра прямоугольных секторов пространства. Эти алгоритмы существенно уменьшают время вычисления оптимального маршрута просмотра заданного сектора пространства. Что позволяет расширить область применения данных алгоритмов. Эти алгоритмы могут использоваться для определения оптимального маршрута просмотра при использовании различных сенсоров, применяемых в информационных каналах МРК.

Синтез оптимального управления для кинематически избыточных систем сканирования.

Существует ряд методов решения избыточности для пространственных механизмов. Для сканатора МРК характерны следующие проблемы. В следствии автономности МРК, возникает ограниченность источника питания, по этой причине энергетика приводов сканатора ограничена. Кроме того, снижение потребляемой мощности, позволит снизить массо-габаритные характеристики сканатора, что весьма желательно для МРК. По этим причинам представляется целесообразным минимизировать суммарную потребляемую приводами сканатора мощность:

Синтезированный алгоритм управления минимизирует мгновенную мощность приводов сканатора МРС и позволяет сформулировать алгоритма управления, которые гарантируют «мертвые зоны» закрытого типа".

Предложены рекомендации для практической реализации разработанного алгоритма для боротового компьютера. Также рассмотрены три другие схемы практического реализации разработанных управляющих алгоритмов.

Точность управляющего алгоритма определена экспериментальным исследованием. Преимущества управляющего алгоритма для трехстепенного сканатора показаны экспериментальным исследованием. Разработанный управляющий алгоритм для трехстепенного сканатора обеспечивает высокую точность относительно эквивалентного двухстепенного сканатора — более чем на 163%.

Заключение

.

Синтезированы алгоритмы скоростного сканирования заданного сектора пространства для различных типов сенсоров.

Предложен способ управления по критерию минимума мгновенной потребляемой мощности. Разработан алгоритм синтеза оптимального управления механизмами сканатора МРК с кинематической избыточностью. Разработанный алгоритм позволяет сформулировать управление, обеспечивающее расширенные зоны обзора сектора пространства.

9. БУДУЩАЯ РАБОТА.

Некоторые проблемы, связанные с созданием перспективных сканирующих систем для МРС не были рассмотрены в этой диссертации. Исследование внешних возмущений, возникающих при движении МРС, выявило высокие требования к динамическим характеристикам приводов систем сканирования. Представляется интересным изучение проблемы применения пьезоэлектрических приводов для сканирующей систем МРС. Такие приводы обладают высоко динамическими характеристиками, небольшим весом и массо-инерционными характеристиками ([62], [65], [74]). Они не требуют использование редукторов и систем демпфирования ([16] и [17]).

Другая проблема рассмотрена в этой диссертации частично — синтез алгоритмов сканирования известного сектора пространства с использованием цифровой карты местности. В настоящее время часто цифровая карта местности используется для решения проблемы навигация МРС. В этом случае, алгоритм сканирования должен учитывать стохастическую характеристику появления цели в видимой зоне МРС.