Динамика управляемого движения мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами

СОДЕРЖАНИЕ
Введение................................................................4
1. Анализ состояния вопроса............................................10
1.1. Общая характеристика мобильных колесных роботов................10
1.2. Классификация мобильных трехколесных роботов по типу . организации движения.............................................14
1.3. Аналитический обзор подходов к математическому описанию движения мобильного трехколесного робота с двумя независимыми соосными ведущими колесами.......................................19
1.4. Описание задачи навигации и управления движением мобильных
роботов.............................................................26
!
1.5. Анализ методов управления движением мобильных колесных роботов вдоль заданной траектории........................................33
1.6. Цель и задачи исследований.....................................39
2. Разработка математической модели мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами.........................................42
2.1. Описание конструкции мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами................................................42
2.2. Вывод уравнений движения робота с двумя независимыми ведущими колесами по горизонтальной шероховатой плоскости.................46
2.3. Разработка системы автоматического управления движением робота .................................................................56
2.4. Разработка алгоритма математического моделирования управляемого движения робота..................................................68
2.5. Выводы по главе................................................76
3. Анализ динамических свойств управляемого движения мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами.................................77
3.1. Анализ показателей качества движения робота для различных методов управления..........................................................77
3.2. Анализ динамических свойств движения робота при управлении различными методами.............................................85
3.3. Определение параметров движения робота, обеспечивающих отсутствие поперечного проскальзывания ведущих колес и отрыва ведущего колеса от горизонтальной опорной плоскости.............98
3.4. Исследование влияния значения коэффициента трения качения на точность отработки заданной траектории.........................101
3.5. Выводы по главе...............................................102
4. Экспериментальные исследования управляемого движения мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами.........................104
4.1. Разработка экспериментального образца мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами.................................104
4.2. Разработка методики проведения экспериментов.................112
4.3. Результаты экспериментальных исследований управляемого движения робота.........................................................114
4.4. Описание разработанного программного приложения разработки и отладки алгоритмов управления движением робота.................117
4.5. Выводы по главе............................................. 119
Заключение...........................................................120
Литература...........................................................122
Приложение...........................................................137
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. В настоящее время области применения мобильной робототехники существенно расширяются во многих отраслях деятельности человека. Особенно это характерно для деятельности, осуществляемой при решении специальных задач, сопряженных с угрозами для здоровья и жизни людей. К таким задачам относятся антитеррористические операции, военные действия, пожаротушение и т. п.
Одним из классов мобильных роботов являются колесные роботы. Такие роботы не могут эффективно передвигаться по неподготовленным поверхностям. Однако в случае с подготовленными поверхностями применение колесных роботов в сравнении с использованием других видов мобильных роботов (например, шагающих) более оправдано в силу превосходства по экономичности, скорости передвижения и простоте управления.
Расширение областей применения колесных роботов определяет рост требований к качеству их функционирования, в частности к быстродействию, которое характеризуется временем отработки заданных участков траекторий, и к точности этой отработки. Различным аспектам проблемы отработки мобильными колесными роботами заданных траекторий движения посвящены работы как отечественных (Буданова В.М., Бурдакова С.Ф., Девянина Е.А., Зенкевича С.Л., Мартыненко Ю.Г., Мирошника И.В., Охоцимского- Д.Е., Павловского В.Е., Подураева Ю.В., Стельмакова Р.Э., Формальского А.М. и др.), так и зарубежных ученых (Bastin G., Campion G., Canudas de Wit C., Dixon W., Fung Y.H., Isidori А. и др.). Однако вопрос быстродействия и точности движений колесных систем не является окончательно решенным.
В этой связи объективно сложилось противоречие между потребностями практики по применению мобильных колесных роботов и их ограниченными возможностями.
5
Это определило актуальность исследования динамики управляемого движения мобильных колесных систем, его значимость для теории и практики их создания:
Объектом исследований в работе является управляемая динамическая мехатронная система — мобильный робот с двумя независимыми ведущими колесами.
Цель работы состоит в повышении качества функционирования мобильных роботов с двумя независимыми ведущими колесами по комплексному критерию, учитывающему быстродействие и точность движений, на основе развития математической модели и исследования динамики этих ме-хатронных систем, а также разработки метода управления их движением.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Разработка математической модели мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами и оптронной матрицей в качестве сенсорной системы. При этом указанная модель описывает электромеханическую подсистему и подсистему управления движением с учетом: изменения в процессе движения робота вдоль криволинейных траекторий модулей сил нормальной реакции горизонтальной шероховатой плоскости, действующих на ведущие колеса; условия отсутствия поперечного проскальзывания и отрыва от горизонтальной шероховатой плоскости ведущих колес робота; дискретности системы управления движением; дискретности величины отклонений, измеряемых оптронными линейками матрицы.
2. Разработка метода управления движением робота по сигналу оптронной матрицы, реализующего расчет управляющих напряжений в зависимости от величины отклонения от заданной траектории движения.
3. Разработка алгоритма математического моделирования управляемого движения робота вдоль заданной траектории.
4. Программная реализация разработанного алгоритма математического моделирования управляемого движения робота вдоль заданной траектории.
5. Исследование динамики управляемого движения робота по горизонтальной шероховатой плоскости на базе разработанной математической модели для различных законов управления.
6. Определение характера влияния значения коэффициента трения качения на точность отработки заданной траектории для различных законов управления.
7. Определение областей параметров движения робота, обеспечивающих отсутствие поперечного проскальзывания ведущих колес и отрыва ведущего колеса от горизонтальной шероховатой плоскости.
8. Разработка методики экспериментальных исследований управляемого движения робота, позволяющей оценить степень адекватности предложенной математической модели реальному объекту.
9. Создание программно-аппаратного комплекса для целей реализации экспериментальных исследований управляемого движения робота на базе предложенной методики.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались методы теоретической механики, теории автоматического управления, теории управления с использованием нечеткого логического вывода, теории искусственных нейронных сетей, математического моделирования, оптимизации с применением генетических алгоритмов.
Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе математического аппарата неголономной механики, теории автоматического управления, а также методов экспериментальных исследований. Результаты экспериментальных исследований согласуются с теоретическими результатами.
Научная новизна:
1. Разработана математическая модель мобильного робота с двумя независимыми соосными ведущими колесами, описывающая его электромеханическую подсистему и подсистему управления движением с учетом изменения в процессе движения робота вдоль криволинейных траекторий модулей
7
сил нормальной реакции горизонтальной шероховатой плоскости, действующих на ведущие колеса.
2. Предложен метод нечеткого контурного управления движением робота по сигналу онтронной матрицы, обеспечивающий повышение качества отработки заданной траектории ‘в сравнении' с существующими методами контурного управления по сигналу оптронной линейки по критерию «быст-родействиехточность» на 160-170%.
3. Определены области значений параметров движения робота, предполагающих отработку криволинейных траекторий без поперечного проскальзывания и с поперечным проскальзыванием ведущих колес, а также без отрыва и с отрывом ведущего колеса от горизонтальной шероховатой плоскости..
Практическая ценность. Основная практическая ценность работы состоит в том, что использование ее результатов при создании систем управления движением мобильных роботов с двумя независимыми соосными ведущими колесами обеспечит более высокое в сравнении с существующими подходами качество движения по критерию «быстродействиехточпость».
Разработано программное приложение («Эмулятор движения мобильного колесного робота» — свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010613625), обеспечивающее возможность разработки и отладки алгоритмов управления движением мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами на базе моделирования его управляемого движения в реальном масштабе времени.
Создай экспериментальный образец мобильного робота с двумя независимыми ведущими колесами («Мобильный робот с оптронной матрицей» — патент РФ на полезную модель №99253), где в качестве сенсора используется оптронная матрица. Этот образец может быть использован для проведения экспериментальных исследований в рамках решения задач мехатроники.
Результаты проведенных в рамках настоящей работы исследований использованы при выполнении гранта РФФИ №08-08-00438-а «Динамика и
8
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 целепой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годьт. Также указанные результаты применяются в учебном процессе кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ.
Апробация работы.. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научном семинаре в учреждении Российской академии наук «Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН» (г. Москва, 2010 г.), на научном семинаре имени А.Ю. Ишлинского по прикладной механике и управлению (г. Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 2010 г.), Всероссийском научном семинаре для молодежи «Мехатроника, робототехника. Современное состояние и тенденции развития» (г. Курск, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (г. Курск, 2008 г.), Международной научно-технической конференции «Управляемые вибрационные технологии и машины» (г. Курск, 2010 г.), Санкт-Петербургских Международных конференциях по интегрированным навигационным системам (г. Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.), Международной научно-практической конференции «Интегрированные модели и мягкие вычисления» (г. Коломна, 2009 г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Интегрированные модели, мягкие вычисления, вероятностные системы и комплексы программ в искусственном интеллекте» (г. Коломна, 2009 г.) и «Соврехменные наукоемкие инновационные технологии» (г. Самара, 2009 г.), а также на семинарах кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 8 статей, из них 1 по Перечню ВАК, I свидетельство о государственной регистрации программы для-ЭВМ, 1 патент на полезную модель.
9
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 122 наименований. Текст диссер тации изложен на 140 страницах, содержит 91 рисунок, 4 таблицы.
Диссертационная работа выполнена на кафедре теоретической механики и мехатроники Юго-Западного государственного университета.
10
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
1.1. Общая характеристика мобильных колесных роботов
Мобильные колесные роботы представляют собой сложные управляемые электромеханические системы, состоящие в общем случае из ходовой части, платформы, энергетической установки и многоуровневой системы навигации и управления движением, включающей сенсорную подсистему, формируем}’ю оптическими, ультразвуковыми, тактильными датчиками; видеокамерами; звуковыми приемниками и т. п. В них параллельно протекают механические и информационные процессы, относящиеся соответственно к движению роботов и обработке сигналов измерительных устройств при формировании управляющих сигналов.
В соответствии с работами [6, 28, 71] применение колесных систем как класса мобильных роботов, предназначенных для осуществления транспортных операций, является наиболее востребованным в условиях сопряженных с рисками для жизни и здоровья людей, возникающих при решении специальных задач, к которым можно отнести антитеррористические операции, ликвидации последствий аварий, военные действия, охрану важных объектов и т. п. В указанных условиях мобильные роботы применяются для поиска, диагностики и уничтожения взрывных устройств; проведения химической и радиационной разведки; постановки радиоэлектронных помех и дымовых завес; ведения отвлекающего огня и выявления огневых точек противника; пресечения попыток проникновения на объект и нейтрализации нарушителей и т. п. Это предполагает их оснащение технологическим оборудованием, состав которого определяется типом решаемых задач. Примерами такого оборудования являются манипуляторы, погрузочно-разгрузочные устройства, датчики и средства первичной обработки информации, средства диагностики взрывных устройств, телевизионная аппаратура, осветительные средства и т. п.
И
На сегодняшний день в соответствии с работой [14] в мировой практике применяются колесные роботы четырех категорий массы: сверхлегкие (массой до 35 кг), легкие (массой до 150 кг), средние (массой до 800 кг) и тяжелые (массой более 800 кг). Наиболее распространенными среди них являются роботы первых трех групп. Причинами этому являются: возможность их оперативной технической адаптации к конкретному виду проводимых операций и относительно небольшие материальные затраты на производство и эксплуатацию.
Образцы мобильных колесных систем представлены на рис. 1.1.
б) в) г)
Рисунок 1.1. Образцы мобильных колесных роботов: а — робот «SR04» (фирма «Dallas Personal Robotics Group»), б — робот «Pioneer З-DX» (фирма «MobileRobots»), в — мобильная платформа «МП-М2301» (компания «Тех-новижн»), г — робот «Rovio» (фирма «WowWee»)
Робот «SR04» представляет собой небольшую (диаметр круглой платформы составляет 0,28 м) мобильную колесную систему, предназначенную для обследования помещений. Она приводится в движение двумя электродвигателями, питающимися от бортовых герметичных свинцово-кислотных батарей с выходным напряжением 12 В. Основными элемента сенсорной системы робота являются звуковые дальномеры, фотодетекторы, пассивные инфракрасные датчики движения и подсистема одометрии, основанная на преобразовании «поворот-перемещение».
Колесная система «Pioneer З-DX» (габаритные размеры: длина 0,445 м, ширина 0,393 м, высота 0,237 м; масса 9 кг), применяется в большинстве случаев для проведения научных исследований мобильной робототехники. Ее конструкция, в силу небольшого дорожного просвета, предполагает осуществление перемещений по плоским поверхностям. Предельное значение массы дополнительного снаряжения для рассматриваемого робота составляет 23 кг.
На базе мобильной платформы «МП-М2301» (габаритные размеры: длина 0,44 м, ширина 0,5 м, высота 0,35 м; масса 22 кг) создаются колесные роботы, применяемые в основном для формирования охранных систем и систем мониторинга складских и производственных помещений. За счет относительно большого диаметра (0,25 м) ведущих колес дорожный просвет платформы позволяет осуществлять движение по поверхностям со сравнительно большими неровностями. Объём внутреннего приборного отсека позволяет устанавливать в рассматриваемую систему промышленные компьютеры формата РС/104.
Робот «Rovio» (габаритные размеры: длина 0,36 м, ширина 0,34, высота 0,31 м; масса 2,3 кг) — это управляемая по технологии Wi-Fi мобильная система для удаленного слежения за помещением. Он оснащен подвижной видеокамерой, процессором, оперативной памятью и Wi-Fi модулем. Робот способен ориентироваться в помещении с помощью системы инфракрасного позиционирования. Управлять рассматриваемой мобильной системой возможно непосредственно через компьютер либо через сеть Интернет.
Управление движением мобильных роботов, в том числе и колесных, в соответствии с работами [6, 49, 100] осуществляется бортовой системой навигации и управления движением, принимающей команды с поста оператора. Оператор в зависимости от уровня развития указанной системы может осуществлять управление роботом на уровне постановки цели движения либо на уровне непосредственно управления движением. Второй подход является менее эффективным в силу того, что он обладает следующими недостатками: