WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова Механико-математический факультет УДК 531.3.01

На правах рукописи

Евграфов Владимир Владимирович ДИНАМИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ.

Специальность 01.02.01 – Теоретическая механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре теоретической механики и мехатроники механико-математического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук профессор В.Е. Павловский

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор Д.Ю.Погорелов кандидат физико-математических наук ведущий научный сотрудник В.М.Буданов

Ведущая организация: Московский Энергетический Институт (Технический Университет)

Защита состоится 29 февраля 2008 года в 16:30 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.22 по механике при Московском государственном университете им М.В.Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, механико-математический факультет, аудитория 16-10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке механикоматематического факультета МГУ (Главное здание, 14 этаж).

Автореферат разослан 29 января 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.22 доцент, к.ф.-м.н. _ В.А.Прошкин 2

Общая характеристика работы

. В работе проводится аналитическое и численное исследование динамики и схем управления движением колесных роботов. Рассматриваются модели с двумя независимо управляемыми колесами и четырехколесные аппараты. Выбор данного направления работы связан с прикладными задачами исследования колесных роботов, цель которых - создание современных интеллектуальных систем, роботизированных мобильных платформ. В работе строится схема управления роботом с двумя независимо управляемыми соосными колесами («дифференциальным» приводом), обеспечивающая его гладкие динамические движения. Для этого вводится и исследуется класс спиральных кривых, которые вместе с прямой и дугой окружности составляют алфавит базовых траекторий движения. Показаны преимущества построенной схемы. На основе твердотельного моделирования системами многих твердых тел строится численная многопараметрическая модель упругого колеса. На базе этой модели исследуются различия в движении аппаратов на твердых и упругих колесах. Для роботов с двумя независимо управляемыми колесами исследуется влияние упругости на точность движения по динамически гладкой и негладкой траектории. Четырехколесные аппараты рассматриваются в рамках заданий международной программы разработки марсоходов.

Актуальность темы. Задачи исследования динамики движения мобильного робота и расчета управления им актуальны в связи с возрастающими требованиями к точности работы таких систем, необходимостью составления схем управления, обеспечивающих гладкие динамические движения, необходимостью учета влияния податливости колес на движение роботов.

В настоящее время мобильные роботы распространены весьма широко.

Они используются в лабораториях научных институтов и университетов, разрабатываются и модернизируются на различных предприятиях для решения специальных задач (переноса груза, работы в сложных условиях, информационной разведки), включаются в образовательные программы и участвуют соревнования, входят в повседневную жизнь человека в виде бытовых и игровых устройств. Но, несмотря на фундаментальные и прикладные исследования, задачи по управлению ими до конца не решены.

Это связано с различиями кинематических схем аппаратов, различными условиями движения, а также с необходимостью учета реальных факторов движения при построении строгих математических моделей. Многие общепринятые способы управления колесными системами основываются только на кинематике робота, полученные при этом решения порождают динамические разрывы, например, угловых скоростей колес системы. Новые методы, приведенные в работе, решают эту проблему - представлен способ исключения указанных разрывов и построения соответствующей схемы управления роботом.

Хорошо известно, что многие реальные аппараты имеют упругие колеса.

Это могут быть аппараты на колесах с малой и со значительной упругостью (колеса низкого давления). К подобным системам относятся как планетоходы (вездеходы), так и мобильные роботы, предназначенные для движения по твердой поверхности. В ряде стран получили распространение соответствующие колесные аппараты повышенной проходимости для перемещения и выполнению работ в лесу. В космических исследованиях все более важными становятся вопросы разработки новых, более эффективных, видов планетоходов для исследования планет. Для разработки схем управления такими аппаратами необходим учет упругости колес. В рамках исследования этого вопроса в настоящей работе представлена численная параметризованная модель упругого колеса и систем, в том числе планетохода, на таких колесах.

Цель работы заключается в исследовании динамики движения колесных аппаратов на твердых и упругих колесах, составлении управления колесными роботами:

разработке схемы управления роботом с двумя независимо управляемыми колесами, обеспечивающей его гладкие динамические движения по плоскости;

исследовании точности отработки роботом динамически гладких и геометрически гладких траекторий;

разработке параметризованной многопараметрической численной модели упругого колеса и технологии моделирования аппаратов на упругих колесах;

исследовании влияния упругости на точность отработки роботом траектории и динамические свойства движения аппарата;

исследовании динамики мобильных роботов с упругими, в том числе малого давления, колесами.

Научная новизна заключается в найденных способах расчета непрерывных по скоростям траекторий робота с двумя раздельно управляемыми колесами, построенных методах синтеза сложных траекторий и бортовых алгоритмах движения мобильного робота, разработанных технологиях моделирования упругих колес и роботов на таких колесах, выявленных различиях в движении аппаратов на упругих и твердых колесах по траекториям и неровным поверхностям, методах управления колесными аппаратами.

Методы решения задачи. Поставленные задачи решаются с применением аналитических расчетов и методов теоретической механики, использования для вспомогательных вычислений математического пакета «Maple» (версия 9.5) и использования для моделирования программного комплекса «Универсальный механизм 3.0» (разработанного под руководством Д.Ю.Погорелова).

Обоснованность результатов определяется полнотой и корректностью выбранной механической модели робота с дифференциальным приводом, строгими методами аналитического исследования движения механических систем, применением для математических расчетов известных и отработанных пакетов «Maple», а для механического моделирования - пакета «Универсальный механизм» с верификацией результатов моделирования по теоретическим данным и другим численным моделям.

Работа носит теоретический характер, полученные результаты могут использоваться при разработке управления движением мобильных платформ.

Предложенные в работе теоретико-механические численные модели представляют самостоятельную ценность и являются не только методом достижения поставленной цели, но и современной технологией исследования движения аппаратов на упругих и твердых колесах.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на:

семинарах механико-математического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова, Москва (2003 г. - 2007 г.);

заседаниях объединенного семинара ИПМ им.М.В.Келдыша РАН и МГТУ им.Н.Э.Баумана по робототехническим системам, Москва (2006 г., 2007 г.);

конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», МГУ им.М.В.Ломоносова, Москва (2003 г.);

конференции «Экстремальная робототехника», Санкт-Петербург (2005 г., 2006 г.);

конференции «Устойчивость, управление и динамика твердого тела», Украина, Донецк (2005 г.) конференции «Интеллектуальные и многопроцессорные системы», Геленджик (2003 г., 2006 г.);

IX всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород (2006 г.).

конференции «Мехатроника и робототехника – 2007», Санкт-Петербург (2007 г.) конференции «Мехатроника, автоматизация, управление – 2007», Геленджик (2007 г.) конференции «X Conference on Climbing And Walking Robots», Сингапур (2007 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ:

a) По перечню ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных экспертным советом по механике:

[1] Евграфов В.В., Павловский В.Е., Павловский В.В. «Динамика, управление, моделирование роботов с дифференциальным приводом», Жур. «Известия РАН. Теория и системы управления» 2007г, №5,c.171-176.

b) В рецензируемых изданиях:

[2] Павловский В.Е., Петровская Н.В., Евграфов В.В. «Исследование динамики движения цепочки «робопоезд». Управляемое движение», Препринт ИПМ им М.В.Келдыша РАН, 2005г., №120.

[3] Павловский В.Е., Евграфов В.В., Павловский В.В. «Синтез и исполнение гладких движений мобильного колесного робота с дифференциальным приводом», журнал «Информационно-измерительные и управляющие системы», изд-во «Радиотехника», 2006 г, №1-3, т.4, с.30-35.

c) В трудах конференций:

[4] Павловский В.Е., Евграфов В.В. «Моделирование упругих колес:

динамика, преодоление препятствий», Тр.Конф., «Экстремальная робототехника», С-Петербург, т.5, с.179-186, 2006г.

[5] Павловский В.Е., Евграфов В.В. «Моделирование и исследование динамики пружинных упругих колес роботов», Тр.Конф., «Экстремальная робототехника», С-Петербург, 2005 г., с.388-396.

[6] Павловский В.Е., Евграфов В.В., Павловский В.В. «Планирование и реализация гладких движений мобильного робота с дифференциальным приводом», Тр.Конф., «Устойчивость, управление и динамика твердого тела», Украина, Донецк, 2005 г., с. 54-55.

[7] Павловский В.Е., Евграфов В.В., Забегаев А.Н., Котова О.А., Петровская Н.В., Павловский В.В. «Динамика и управление мобильным роботом с двумя раздельными ведущими колесами», Тр. IX всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, т.1, с. 49-50, 2006г.

[8] Павловский В.Е., Евграфов В.В. «Синтез D2-гладких траекторий для мобильного робота с дифференциальным приводом», Тр.Конф., «Интеллектуальные и многопроцессорные системы», Геленджик, 2003г, с.148-152.

[9] Павловский В.Е., Петровская Н.В., Евграфов В.В. «Синтез алгоритмов управления интеллектуальной транспортной системой «робопоезд» в стесненных условиях сложных сред», Тр.Конф., «Мехатроника и робототехника – 2007» (МиР-2007), Санкт-Петербург, 2007г.

[10] Павловский В.Е., Евграфов В.В., Петровская Н.В., Забегаев А.Н., Павловский В.В. «Управление и сенсорное обеспечение мобильных роботов», Тр.Конф., «Мехатроника, автоматизация, управление – 2007» (MAУ-2007), Геленджик, 2007г.

[11] Pavlovsky V.E., Petrovskaya N.V., Evgrafov V.V., V.Pavlovsky Jr. «Robotrain as snakelike robotic system with minimal number of DOF», Тр.Конф., «CLAWAR - 2007, X Conference on Climbing And Walking Robots», Сингапур, 2007г.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, двух приложений.

Общий объем диссертации – 157 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан обзор работ, относящихся к теме диссертации, и рассмотрены вопросы, связанные с актуальностью темы, целью работы, методикой исследований, достоверностью результатов, научной новизной диссертации, теоретической и практической ценностью работы.

Рис.1. Модель робота.

В первой главе разработана схема управления роботом с двумя раздельно управляемыми колесами (рис.1), обеспечивающая гладкие динамические движения при перемещении системы по плоскости в заданное конечное положение. Определены случаи возникновения разрыва угловых скоростей при движении системы, вводятся дополнительные условия для устранения этих разрывов. На основе условий непрерывности и уравнений связи получен соответствующий класс спиральных кривых, которые использованы в дальнейшем для синтеза траекторий.

При составлении траекторий движения робота, состоящих из окружностей и прямых, в точках перехода с одной кривой на другую (кривую или прямую), даже при их гладком сопряжении возникают скачки угловых скоростей вращения колес. В работе получено общее условие отсутствия указанных скачков, как непрерывность ориентированной кривизны траектории движения.

Для обеспечения гладких динамических движений робота на любой траектории (устранения разрывов угловых скоростей вращения колес) введен дополнительный режим движения в виде участка с линейным изменением угловых скоростей колес (рис.2). Подстановка такого типа движения в динамические уравнения задает кусочно-линейный закон изменения управляющих напряжений, определяющие уравнения которых приведены в приложении к диссертации. На указанном линейном участке проинтегрированы уравнения связи системы, в результате получены параметрические уравнения (1), определяющие траекторию движения центра оси колес и изменение ориентации корпуса. Уравнения (1) содержат интегралы Френеля ( S x,C x ) и задают на плоскости (XY) спиральную кривую типа спирали Корню.

F x t x0 a sin t sin 0 1 C 1 C 2 2 S 1 S F F y t y0 a cos t cos 0 sgn F 1 S 1 S F (1) sgn F 2 C 1 C rF r t2 (2 1)t 4aT 2a Рис. 2. Закон изменения угловых скоростей вращения колес. Пример синтезированных спиральных траекторий.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»