WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Для указанного типа движений построены области достижимости роботом точек декартовой плоскости вокруг него (рис.3). Они позволяют упростить схему планирования траектории, состоящей из спиральных кривых. При этом учтены ограничения на угловые скорости вращения колес и время движения по кривой. Исследована зависимость геометрии указанных областей от кинематических характеристик робота. Приведены методы расчета параметров одной спиральной с помощью построения области достижимости. Тем самым решена задача перемещения робота в заданную точку с заданной конечной ориентацией при выполнении условий непрерывности и краевых условий для координат и скоростей системы. Составлен алфавит базовых движений (прямая, окружность, спираль) и построен соответствующий набор схем планирования траектории, составленных из одной спирали (рис.3), двух спиралей, двух спиралей и участков прямых (рис.4); приведены примеры составления траектории из двух окружностей и спирали (рис.2).

Рис.3. Области достижимости, примеры синтезированных спиральных траекторий (начальная точка (0,0), конечная точка К).

Рис.4. Траектория из двух спиралей и отрезка прямой.

Приведены правила расчета точек переключения управления при движении мобильного робота по спиральным траекториям и прямым;

указанные алгоритмы используют простые формулы для расчета на бортовой системе, учитывают текущие навигационные данные, вычисляются постоянно во время движения системы.

Во второй главе на основе твердотельного моделирования системами многих твердых тел разработана технология моделирования упругих колес, в том числе позволяющая моделировать пневматическое колесо. Представлено полное описание предлагаемых моделей. В качестве основной модели строится и исследуется нелинейно-упругое колесо с постоянным периметром оболочки, называемое двумерным. Указанный метод твердотельного моделирования позволяет перейти от тела с бесконечным числом степеней свободы к системе с конечным числом степеней свободы, от дифференциальных уравнений в частных производных к уравнениям с полными производными. Для моделирования системы применяется программный комплекс «Универсальный механизм».

Рис.3. Модели упругого колеса.

Приведена процедура нахождения функции упругости связей в колесе и ее коэффициентов для описания внутренних силовых взаимодействий в модели колеса, приводящих его к заданным параметрам (пневматическому колесу). В результате серий численных экспериментов с одиночным колесом и аппаратами на упругих и твердых колесах выявлены различия в динамике их движения. Моделирование одиночного колеса позволило оценить возникающие перегрузки и моменты, прикладываемые к нему, при преодолении препятствия. Моделирование движения двухколесного аппарата с кинематикой велосипеда на упругих колесах по лестнице позволило построить схему расположения центра масс системы эффективно снижающую нагрузки на оси колес, повышающую устойчивость аппарата против опрокидывания.

Аналитическая модель робота с двумя раздельно управляемыми колесами дополняется расширенной численной моделью, обладающей возможностью изменения параметров, в том числе пятна контакта. В результате серий численных экспериментов движения робота с «дифференциальным приводом» получено, что движение по динамически гладким траекториям происходит с точностью на порядок выше, чем движение по геометрически гладким траекториям. Найдено влияние эффекта деформации колеса на точность движения робота с дифференциальным приводом по заданной траектории для ряда значений параметров, заключающееся в ухудшении точности отработки траектории (продавливание 1% от радиуса – погрешность достижения конечной точки 5% от длины пути; продавливание 20% от радиуса – погрешность достижения конечной точки 60% от длины пути).

В третьей главе разработана технология моделирования движения роверов (4-х колесных аппаратов) на колесах с низким давлением по сложным поверхностям (разрабатывалась для заданий и условий проекта INTAS-CNES №4063 «Innovative Mars Exploration Rover Using Inflatable Or Unfolding Wheels»).

Рис.4. Проектное изображение ровера и модельная разработка.

Численная модель ровера использует разработанные во второй главе нелинейно-упругие колеса. Приведено полное описание рассматриваемых моделей систем, а также описание серий экспериментов с ними. Исследовано движение систем по наклонной плоскости с углом наклона от 30 до 34 град., плоскости с препятствиями высоты от R/5 до R/2 (R=1.3м радиус колеса), падение на плоскость (с высоты 1.5м) и наклонную плоскость. Условия моделирования (сила тяжести, камни, уклоны) соответствуют данным о планете Марс. В результате получены выводы о различиях в движении аппарата на упругих и твердых колесах, заключающиеся в уменьшении перегрузок (в 5-10 раз), передающихся на ось колеса и корпус (бортовую аппаратуру), повышении проходимости аппарата при перемещении по местности с препятствиями, увеличении средней скорости движения по препятствиям, значительном уменьшении максимальных углов наклона корпуса (в 1.5-2 раза) и угловых ускорений корпуса (в 5-10 раз) при переезде через препятствие (соскальзывании с камня), что значительно уменьшает влияние ударов и рывков на корпус и аппаратуру. Получено заключение о том, что ровер (с характеристиками: база 2*1.5 м, масса 280 кг, радиус колес 1.3 м, давление в колесе 1.5 кПа) удовлетворяет заданным конструктивным требованиям по перегрузкам и преодолеваемым препятствиям.

В приложениях приведены материалы, разработанные для решения ряда задач при расчетах управления, траекторий и моделировании. Рассмотрена аналитическая модель робота с двумя раздельно управляемыми колесами.

Приведены уравнения связи и динамические уравнения в форме уравнений Чаплыгина, которые позволяют рассматривать поведение системы в зависимости от управляющих напряжений на электродвигателях. Последнее используется для расчета управления при планировании и моделировании движения. Приведены элементы компьютерного кода, применяемые для численных расчетов в пакетах «Универсальный механизм» и «Maple».

В заключении даны основные результаты диссертационной работы:

1) Разработана схема управления роботом с двумя раздельно управляемыми колесами, обеспечивающая его гладкие динамические движения. Показаны ее преимущества перед управлением движением робота по геометрически гладким траекториям. Они заключаются в отсутствии динамических ударов в системе и, как следствие, значительном повышении точности движения системы по заданным траекториям. В проведенных численных экспериментах точность достижения роботом конечной точки оказалась лучше, чем 0.1% от длины пути при движении по динамически гладким траекториям, и порядка 2.5% при движении по геометрически гладким траекториям, что лучше в 25 раз при использовании предложенной схемы.

2) Для динамически гладких движений построены области достижимости роботом точек декартовой плоскости вокруг него. Они позволяют упростить схему планирования траектории. Исследована зависимость геометрии указанных областей от кинематических характеристик робота.

Соответственно, эта зависимость позволяет определять кинематические параметры робота, такие, что его движение удовлетворяет заданным ограничениям и требованиям.

3) На основе твердотельного моделирования системами многих твердых тел построена параметризованная многопараметрическая модель и разработана технология моделирования упругих колес, в том числе позволяющая моделировать пневматическое колесо. Проведено исследование и определено влияние эффекта деформации колеса на точность движения робота с дифференциальным приводом по траектории для ряда значений параметров. Так, при продавливании колеса порядка 1% от радиуса точность достижения конечной точки траектории оказалась порядка 5% от длины пути, при продавливании порядка 20% от радиуса точность достижения конечной точки оказалась порядка 60% от длины пути. Эти результаты показали необходимость учета этого эффекта даже для малых значений деформации колеса при построении схемы управления. Например, введение простой следящей системы по угловой скорости обеспечивает удовлетворительную точность (до 2% от длины пути) движения.

4) На основе созданной модели упругих колес разработана технология моделирования движения роверов (4-х колесных аппаратов) на колесах с низким давлением по сложным поверхностям. Эта технология для условий планеты Марс (сила тяжести, камни, уклоны) показала, что аппарат (база 2x1.5 м, масса 280 кг, радиус колес 1.3 м, давление в колесе 1.5 кПа) удовлетворяет заданным конструктивным требованиям: высота преодолеваемого препятствия не менее 0.3 м, максимальные перегрузки при падении с высоты 1.5 м до 7g, максимальные перегрузки при ударе о препятствие до 1g, преодолеваемый уклон 34 град. Разработанная технология имеет общий характер, применима для различных значений параметров.

Использованная литература.

1. Авотин Е.В., Болховитинов И.С., Кемурджиан А.Л., Маленков М.И., Шпак Ф.П. «Динамика планетохода», М. Наука, 1979.

2. Александров В.В., Болтянский В.Г., Лемак С.С., Парусников Н.А., Тихомиров В.М. «Оптимальное управление движением», М. Физматлит, 2005.

3. Буданов В.М., Девянин Е.А. «О движении колесных роботов», Прикладная математика и механика, т. 67, вып. 2, 2003.

4. Вильке В.Г., Кожевников И.Ф. «Об одной модели колеса с армированной шиной», Вестник МГУ, математика и механика, сер.1, 2004.

5. Голубев Ю.Ф. «Основы теоретической механики», М. Изд-во МГУ, 2000.

6. Левин М.А., Фуфаев Н.А. «Теория качения деформируемого колеса», М.

Наука, 1989.

7. Лобас Л.Г. «Неголономные модели колесных экипажей», АН УССР, Инт Механики, Киев, 1986.

8. Новожилов И.В. «Фракционный анализ», М. Изд-во МГУ, 1991.

9. Павловский В.Е., Петровская Н.В., Евграфов В.В. «Исследование динамики движения цепочки «робопоезд». Управляемое движение», М., ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, препринт, №120, 2005.

10. Платонов А.К., Ярошевский В.С., Козлов О.Е. «Модель тонкого деформируемого пневматика», М., ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, препринт, №20, 2006.

11. Пойда В.К. «Переходные кривые вертикально-параллельного двухколесника», Вестник Ленинградского университета, №1, 1977.

12. Погорелов Д.Ю. «Введение в моделирование динамики систем тел», Учеб.пособие, Брянск, БГТУ, 1997 г., 156 с. (http://www.umlab.ru)

Pages:     | 1 ||






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