Динамика и управление приводами адаптации к опорной поверхности шагающего робота с ортогональными движителями Устинов Сергей Анатольевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Современное состояние исследований в области адаптации шагающих роботов к опорной поверхности 11

1.1 Общая характеристика, классификация и структура шагающих роботов 11

1.2 Шагающие роботы с движителями на основе цикловых механизмов 14

1.3 Шагающие роботы на базе движителей с независимыми приводами 22

1.4 Информационные системы шагающих роботов 31

1.5 Управляющие системы шагающих роботов 34

1.6 Коммуникационные системы шагающих роботов 38

1.7 Обзор методов управления движением шагающих роботов 39

1.8 Заключение по первой главе 43

2 Метод оптимизации режима движения приводов адаптации ортогонального шагающего движителя на основе комплексного критерия качества 45

2.1 Характеристика шагающего робота «Ортоног» и существующих методов управления его движителями 45

2.2 Расчетная схема режима движения привода адаптации ортогонального шагающего движителя 57

2.3 Комплексный критерий качества движения привода адаптации 58

2.4 Показатели качества режима движения привода адаптации 60

2.5 Оптимальный режим движения привода адаптации при опускании опоры ортогонального движителя 66

2.6 Оптимальный режим движения привода адаптации при подъеме опоры ортогонального движителя 72

2.7 Алгоритмическое представление метода оптимизации режимов движения привода адаптации ортогонального шагающего движителя 79

2.8 Заключение по второй главе 81

3 Разработка системы адаптации к опорной поверхности шагающего робота с ортогональными движителями 82

3.1 Привод адаптации ортогонального шагающего движителя 82

3.2 Управляющая система 84

3.3 Информационная система 91

3.4 Расчет погрешности измерения расстояния до опорной поверхности разработанной измерительной системы 98

3.5 Заключение по третьей главе 101

4 Экспериментальные исследования 102

4.1 Численное моделирование движения 102

4.2 Моделирование движения с использованием программного симулятора робота «Ортоног» 105

4.3 Исследование динамических характеристик привода адаптации 108

4.4 Исследования быстродействия разработанной системы управления приводами адаптации 110

4.5 Физическое моделирование основных элементов измерительной системы адаптации к опорной поверхности 114

4.6 Испытания в составе экспериментального образца шагающего робота «Ортоног» 117

4.7 Заключение по четвертой главе 122

Заключение 123

Список литературы

• Информационные системы шагающих роботов
• Расчетная схема режима движения привода адаптации ортогонального шагающего движителя
• Расчет погрешности измерения расстояния до опорной поверхности разработанной измерительной системы
• Исследования быстродействия разработанной системы управления приводами адаптации

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В современном мире проводятся научные исследования по разработке и исследованию мобильных роботов, в том числе и шагающих. Шагающие роботы могут быть более эффективными по сравнению с существующими колесными и гусеничными машинами и находят применение при выполнении задач, связанных с движением по слабым грунтам и разрушаемому почвенному покрову, при аварийно-спасательных работах в экстремальных условиях, в космических исследованиях, в подводных исследованиях и промышленном освоении ресурсов морского дна, в военном деле, в сельском и лесном хозяйстве с использованием перспективных почвосберегающих технологий и др.

Одной из важнейших проблем при создании шагающих роботов, является проблема управления взаимодействием шагающего движителя с опорной поверхностью. Различным аспектам данной проблемы, а также развитию теории движения и управления шагающих роботов в целом, посвящены работы отечественных и зарубежных ученых И. И. Артоболевского В. В. Белецкого, Н. Н. Болотника, Е. С. Брискина, К. Дж. Валдрона, М. Вукобратовича, В. В. Гориневского, Е. А. Девянина, В. В. Жоги, И. А. Каляева, С. Г. Капустяна, В. В. Лапшина, А. В. Малолетова, Р. Б. Макги, М. Ю. Медведева, Й. Накамура, Д. Е. Охоцимского, В. Е. Павловского, А. К. Платонова, В. Е. Пряничникова, В. Х. Пшихопова, А. Таканиши, А. В. Тимофеева, Н. В. Умнова, В. В. Чернышева, А. Ю. Шнейдера, В. А. Шурыгина, Е. И. Юревича, А. С. Ющенко, С. Ф. Яцуна и др.

Однако, при наличии достаточно большого числа публикаций, совместный учет показателей энергетической эффективности, комфортабельности и тягово-сцепных свойств при синтезе режимов движения приводов шагающих движителей в настоящее время практически отсутствует. Следовательно, актуальными являются разработка и исследование методов многокритериальной оптимизации режимов движения приводов шагающих роботов. Также являются актуальными исследование, примененных в нескольких перспективных образцах мобильных роботов, ортогональных шагающих движителей и систем управления ими.

Целью диссертационной работы является снижение энергозатрат, улучшение комфортабельности движения за счет снижения ударных нагрузок на движитель при взаимодействии с грунтом и повышение тягово-сцепных свойств мобильного робота с ортогональными шагающими движителями.

Научная задача, решение которой содержится в диссертации, – разработка метода
оптимизации режимов движения привода адаптации (вертикального привода)

ортогонального шагающего движителя на основе комплексного критерия качества, учитывающего показатели энергетической эффективности, комфортабельности и тягово-сцепных свойств мобильного робота.

Основные задачи исследования:

1. Анализ шагающих роботов, их движителей и систем управления с точки зрения обеспечения адаптации к опорной поверхности.

2. Разработка математической модели динамики движения приводов адаптации ортогонального шагающего движителя.

3. Разработка комплексного критерия качества режима движения приводов адаптации ортогонального шагающего движителя, учитывающего показатели энергетической эффективности, комфортабельности и тягово-сцепных свойств мобильного робота.

4. Разработка метода оптимизации (синтеза оптимальных режимов) движения приводов адаптации ортогонального шагающего движителя на основе комплексного критерия качества.

5. Разработка архитектуры системы управления приводами адаптации шагающего робота с ортогональными движителями, обеспечивающей реализацию оптимального значения (минимума) комплексного критерия качества.

6. Экспериментальные исследования динамики оптимальных режимов движения приводов адаптации и системы управления шагающего робота.

Объектом исследования являются приводы адаптации (вертикальные приводы) и система управления шагающего робота с ортогональными движителями.

Предметом исследования является метод оптимизации режима движения привода адаптации ортогонального шагающего движителя.

Методологическую основу исследования составили методы, основанные на базовых положениях теории робототехнических систем, теоретической механики, мехатроники, системного анализа и исследованиях в области обработки информации и управления робототехническими комплексами и шагающими аппаратами. При синтезе оптимального режима движения применялись методы классического вариационного исчисления и общей теории дифференциальных уравнений. При экспериментальных исследованиях применялись методы численного и физического моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются
строгими математическими выводами, согласованностью с опубликованными

результатами научных исследований других авторов, подтверждаются результатами компьютерного моделирования (с проверкой примененных моделей и алгоритмов на задачах, имеющих аналитическое решение), испытаниями опытного образца шагающего робота «Ортоног». Результаты диссертации докладывались и обсуждались на российских и международных научных конференциях и получили положительный отзыв научной общественности.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней разработаны:

7. Математическая модель динамики движения привода адаптации ортогонального шагающего движителя, отличающаяся от известных учетом погрешности определения расстояния до опорной поверхности и возможностью управления тягово-сцепными свойствами мобильного робота.

8. Комплексный критерий качества режима движения приводов адаптации ортогонального шагающего движителя, отличающийся учетом показателей энергетической эффективности, комфортабельности и тягово-сцепных свойств мобильного робота.

9. Метод оптимизации режима движения приводов адаптации шагающего робота с ортогональными движителями, отличающийся учетом разработанного комплексного критерия качества.

10. Архитектура системы управления шагающего робота с ортогональными движителями, отличающаяся реализацией оптимального режима движения приводов на основе комплексного критерия качества.

Положения, выдвигаемые на защиту:

11. Предложенный метод оптимизации режима движения приводов адаптации шагающего робота с ортогональными движителями обеспечивает получение Парето-оптимального решения (уравнений движения опорной точки) относительно показателей энергоэффективности (тепловых потерь в приводе), комфортабельности (ударных нагрузок на движитель при взаимодействии с грунтом) и тягово-сцепных свойств (эффективного коэффициента сцепления).

12. Применение метода оптимизации режима движения приводов адаптации шагающего робота с ортогональными движителями на основе комплексного критерия качества позволяет снизить энергозатраты на движение, уменьшить ударные нагрузки на движитель при взаимодействии с грунтом и улучшить тягово-сцепные свойства (повысить эффективный коэффициент сцепления).

Наиболее существенные научные результаты, полученные автором и выдвигаемые для защиты:

13. Математическая модель динамики движения привода адаптации ортогонального шагающего движителя, отличающаяся учетом погрешности определения расстояния до опорной поверхности и возможностью управления тягово-сцепными свойствами мобильного робота.

14. Комплексный критерий качества режима движения приводов адаптации ортогонального шагающего движителя, учитывающий показатели энергетической эффективности, комфортабельности и тягово-сцепных свойств мобильного робота.

15. Метод оптимизации режима движения приводов адаптации шагающего робота с ортогональными движителями, отличающийся учетом разработанного комплексного критерия качества.

4. Архитектура системы управления приводами адаптации шагающего робота с ортогональными движителями, отличающаяся реализацией оптимального режима движения приводов на основе комплексного критерия качества.

Теоретическая и практическая значимость работы. Реализация результатов работы позволит производить оптимизацию режимов движения приводов адаптации ортогональных шагающих движителей для снижения энергетических затрат, повышения комфортабельности движения и улучшения тягово-сцепных свойств шагающих роботов. Результаты могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих шагающих роботов, а также применяться для оптимизации режимов движения приводов других робототехнических систем.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на:

XXVII международной конференции молодых ученых и студентов МИКМУС-2015 (г. Москва, 2-4 декабря 2015 г.);

XXVI международной конференции молодых ученых и студентов МИКМУС-2014 (г. Москва, 17-19 декабря 2014 г.);

XX симпозиуме Международной федерации по теории механизмов и машин (IFToMM) по теории и практике робототехнических систем ROMANSY 2014 (г. Москва, 23-26 июня 2014 г.);

Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (г. Волгоград, 23-28 сентября 2013 г.);

Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Волгоград, 29-31 мая 2012 г.);

Конкурсе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ молодых ученых организаций – ассоциированных членов РАРАН (г. Саров, г. Москва, сентябрь 2015- апрель 2016 г.).

Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в рамках работы, использовались при выполнении опытно-конструкторских работ по созданию опытного образца шагающего робота со сдвоенными ортогонально-поворотными движителями «Ортоног» (БТ-3144), научно-исследовательских работ по теме «Шагающая машина со спаренными ортогональными движителями», а также внедрены в учебный процесс факультета автоматизированных систем, транспорта и вооружений ВолгГТУ, что подтверждено актами внедрения.

Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации, выдвигаемые для защиты, получены автором лично.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях, в том числе 3 статьях в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1 статье в иностранном научном издании, включенном в систему цитирования Scopus, 5 статьях в сборниках трудов и тезисов докладов международных и всероссийских научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из содержания, введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 236 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 123 страницах и содержит 65 рисунков и 4 таблицы.

Информационные системы шагающих роботов

В механизмах шагания машины «Восьминог» применяются как «лыжеобразные стопы с развитой опорной поверхностью» [50], обеспечивающие давление на грунт до 0,03 МПа, так и «стопы с неразвитой опорной поверхностью» («копытообразные»), обеспечивающие увеличение тягово-сцепных свойств, однако, оказывающие повышенное давление на грунт (около 0,15 МПа).

Стопы соединяются с опорной стойкой механизма шагания с помощью цилиндрического шарнира, поэтому в целом механизм шагания получает дополнительную неуправляемую степень свободы, что позволяет пассивно адаптироваться к неровностям опорной поверхности и преодолевать препятствия, превышающие максимальную высоту траектории опорной точки [22], [193]. Экспериментальными исследованиями подтверждена возможность машины «Восьминог» преодолевать препятствия высотой до 0,35 м при высоте подъема опорной точки 0,125 м [30], [233].

Траектория опорной точки механизма шагания содержит относительно прямолинейный участок BC, длительность которого составляет около 30 % времени цикла (рисунок 1.4). В каждом шаге, на участках траектории AB и CD, опорная точка механизма шагания совершает вертикальные перемещения относительно рамы машины. Показанное на рисунке 1.4 расстояние определяет величину вертикальных перемещений центра масс машины – «глубину» приседания, которая характеризует механическую работу, затрачиваемую на вертикальные перемещения машины.

Для сравнения различных цикловых механизмов шагания используется относительная «глубина приседания» – отношение «глубины проседания» к длине шага L. Горизонтальная скорость опорной точки механизма шагания, находящегося в опорной фазе, также не остается постоянной. Её неравномерность в опорной фазе определяется как отношение разности максимальной vmax и минимальной vmin горизонтальной скорости к средней горизонтальной скорости vmed в опорной фазе движения и может характеризовать затраты энергии на разгон и торможение на каждом шаге, а также затраты на буксование, вызванное работой движителей друг против друга при ненулевой разности их фаз [50].

Кинематическим анализом четырехзвенного механизма шагания и экспериментальными исследованиями [30], [50] установлено, что для машины «Восьминог» с четырехзвенными механизмами шагания при длине шага 0,74 м относительная «глубина приседания» составляет 0,076, а относительная неравномерность горизонтальной скорости – 0,84.

Для уменьшения «глубины приседания» и «неравномерности горизонтальной скорости опорной точки» [50] четырехзвенного механизма в [22], [50], [82] исследована возможность установки между двигателем и механизмом шагания дополнительных механизмов, обеспечивающих заданный закон изменения угловой скорости входного вала механизмов шагания при постоянстве угловой скорости двигателя привода. При этом обоснована возможность снижения относительной глубины приседания до 0,021, а неравномерности горизонтальной скорости до 0,16.

В [205], [82] исследована возможность увеличения числа звеньев механизма шагания при применении шарнирных шестизвенников, при этом в том числе отмечено повышение адаптивных способностей шагающего движителя.

Другим возможным способом повышения адаптивных свойств цикловых движителей является применение механизма шагания с криволинейной направляющей (рисунок 1.5).

В работах [21], [78], [79] обосновано, что в случае применения шагающего механизма с криволинейной направляющей повышаются адаптивные свойства машины за счет большей высоты подъема опорного элемента (стопы), а также повышается энергетическая эффективность движения за счет снижения затрат на преодоление силы тяжести. Рисунок 1.5 – Четырехзвенный шагающий механизм с криволинейной направляющей

Цикловые механизмы также применены в шагающих движителях машины Moon walker, исследования по созданию которой проводились в рамках лунной программы NASA (США) начиная с 60-х годов прошлого века. На рисунке 1.6 представлен одни из прототипов машины, а также более поздний вариант машины (Disability Walker), предназначенный для реабилитации детей с ограниченными возможностями [226].

На рисунке 1.7 представлены шагающие роботы Тео Янсена (Нидерланды), которые способны передвигаться под воздействием силы ветра. Такие роботы способны не только самостоятельно перемещаться, но и реагировать на окружающую среду, адаптируясь к ее изменениям, например, без использования электронных управляющих устройств различным образом функционировать на грунте и в воде, огибать препятствия, при шторме прижиматься к земле [234]. Эти исследования в основном направлены на изучение алгоритмов создания и функционирования сложных комплексных систем, симулирующих эволюцию [215], однако затрагивают и проблематику создания шагающих машин и их движителей.

Применение рассмотренных выше шагающих движителей на основе цикловых механизмов позволяет применять самые простые, надежные и дешевые механизмы шагания и системы управления. Однако такие движители обладают следующими недостатками [50], [Я9]: - недостаточно высокая профильная проходимость (преодоление уступов, выступов и других неровностей соответствующих размеров) по причине жестко заданной геометрическими параметрами механизма шагания относительной траектории опоры; - ограниченная без использования дополнительных устройств адаптация к неровностям опорной поверхности, что негативно сказывается на комфортабельности и энергетической эффективности движения; - невозможность управления положением корпуса робота относительно опорной поверхности; - непрямолинейность траектории опорной точки при взаимодействии с опорной поверхностью, которая приводит к подъёму и опусканию центра масс робота в каждом шаге, снижая энергетическую эффективность движения; - неравномерность относительного движения стопы при взаимодействии с грунтом, что приводит к проскальзыванию стоп по грунту, вызывая повышенные энергетические затраты [131], курсовую неустойчивость, разрушающее воздействие на грунт. Частичное устранение вышеуказанных недостатков возможно при применении дополнительных приводов, увеличении количества звеньев механизмов шагания и применении технических решений, корректирующих закон движения ведущего звена. Однако, возможности цикловых шагающих движителей по приспособляемости к неровностям опорной поверхности достаточно невысокие, и по способу взаимодействия с опорной поверхностью их можно отнести к категории неадаптивных.

Расчетная схема режима движения привода адаптации ортогонального шагающего движителя

В современных исследованиях по управлению приводами шагающих роботов можно выделить следующие, наиболее распространенные, методы управления движением: метод обратной задачи динамики, методы управления с использованием ПИД регуляторов, методы адаптивного управления, методы оптимального управления, методы координирующего управления, методы робастного управления, метод позиционно-траекторного управления и методы интеллектуального управления (базирующиеся на применении нечеткой логики, генетических алгоритмов, искусственных нейронных сети и др.).

Метод обратной задачи динамики с точки зрения управления приводами шагающего робота заключается в определении обобщённых координат механизма шагания по заданному положению опоры или любого другого звена шагающего движителя [118]. Применение метода обратных задач рассмотрено в [219], [158], [154], [157], [161], [169], [210], [207], [191], [199], [185], [206], [153], [170]. При использовании данного метода возможен синтез режимов движения, обеспечивающих заданные динамические свойства системы, однако для этого необходимо решать систему дифференциальных уравнений, описывающих полную динамическую модель шагающего робота, которая может содержать более сотни уравнений. Кроме того, согласно [113] метод обратной задачи динамики не обеспечивает реализацию ряда эффективных алгоритмов многоуровневого управления [110].

Методы управления с использованием ПИД регуляторов основаны на применении регуляторов, содержащих в общем случае пропорциональные, интегральные и дифференциальные звенья [2], [10], [46], [70]. Синтез регуляторов осуществляется аналитически [117] (построением базовой схемы регулятора с учетом динамических характеристик объекта управления с последующей настройкой параметров по результатам анализа рабочих характеристик) или эмпирически [108]. Достоинствами методов являются простота реализации и высокая степень отработки в устройствах промышленной автоматики, что позволяет применять типовые устройства и алгоритмы. Недостатками методов является жесткая зависимость от параметров объекта управления и невозможность применения для управления нелинейными и многосвязными системами [110].

Методы адаптивного управления [107], [113], [127] позволяют производить синтез систем управления с возможностью изменения параметров (самонастраивающиеся) или структуры (самоорганизующиеся) регулятора при изменении параметров объекта управления или внешних из возмущений, действующих на него. По способу изучения объекта принята классификация адаптивных методов на поисковые (метод экстремального управления) и беспоисковые (метод эталонной модели, метод настраиваемой модели).

Достоинством методов адаптивного управления являются возможность применения для управления плохо формализуемыми объектами управления. Недостатками методов являются зависимость от качества алгоритмов идентификации для беспоисковых и сложность в определении экстремума и зависимость от регулятора для поисковых методов [110].

Методы оптимального управления основаны на решении задачи по минимизации интегрального функционала качества (целевой функции), зависящего от параметров движения. По виду целевой функции различают задачи оптимального управления Майера, Больца, Лагранжа и др. К методам оптимального управления также может быть отнесена теория аналитического конструирования оптимальных регуляторов [74], [75], [110].

Применение методов оптимального управления позволяет определить режимы движения, синтез которых не может быть произведен формализованными методами, однако полученное решение зависит от правильности задания функционала качества разработчиком. Недостатком метода оптимального управления является невозможность его использования при управлении многосвязными системами [110]. Методы координирующего управления основываются на положении, что для определения управления объектом, необходимого для реализации требуемого движения, в уравнении движения вместо высшей производной регулируемой величины подставляется «значение, определяемое требуемым дифференциального уравнения системы» [19], [20]. Координацией переменных называется «автоматическое соблюдение заданных соотношений между переменными в процессе функционирования системы» [110], [126]. Целью координирующего управления является «достижение соотношений между переменными состояния многосвязного объекта управления, которое определяет координирующее целевое многообразие» [126]. Недостатками методов координирующего управления является сложность синтеза управления многосвязными объектами и неоднозначность выбора целевой функции [110].

Метод позиционно-траекторного управления, предложенный в работе [113] для управления подвижными объектами, отличается «единым методологическим подходом к организации движения подвижных объектов в пространстве внешних координат» и позволяет организовывать «движение подвижного объекта в априори неформализованных средах за счет применения неустойчивых режимов движения» [113, 110] для движения по заданной траектории с заданной скоростью или в заданную точку по свободной или заданной траектории [84], [114], [115]. Методы робастного управления заключаются в обеспечении некоторых запасов устойчивости системы либо малых изменениях выходных характеристик системы при изменении ее параметров или структуры [67], [89], [112]. Выделяют H, H2, линейно-квадратичные методы (LQG и LQR) робастного управления, а также метод -синтеза. Данные методы применяются для управления объектами с неполной или неизвестной математической моделью. Недостатками данных методов являются сложность применения для многосвязных систем, необходимость (для LQG и LQR синтеза) точной модели управления и большое количество итераций [110].

Расчет погрешности измерения расстояния до опорной поверхности разработанной измерительной системы

Следует отметить, что возможны различные варианты учета отрицательных значений силы F. Для ряда режимов движения привода адаптации можно полагать, что отрицательность F означает режим работы привода в тормозном режиме и тогда (2.7) остается в силе. Для других режимов движения допустимо считать, что при F 0, привод отключается (фиксируется торсозом) и необходимое положение опоры движителя обеспечивается торможением выдвижной части движителя, что не приводит к дополнительным энергетическим затратам. Тогда в (2.7) в эти интервалы времени следует считать, что F = 0 . При дальнейшем анализе принимается, что при любом F справедливо выражение (2.7), которое можно представить в безразмерном виде X H —iimiw? (2.29) 2.4.2 Комфортабельность

При движении транспортного средства, в том числе шагающего, по неровной местности водитель (оператор) и транспортируемые грузы могут испытывать инерционные перегрузки, вызывающие переутомление человека и угрожающие сохранности груза. Известно, что при эксплуатации грузовых транспортных средств на неровной поверхности средняя по причине интенсивных колебаний корпуса скорость движения уменьшается на 40-50 %, межремонтный пробег на 35-40 %, а себестоимость перевозок возрастает на 50-60 % по отношению с аналогичными показателями при движении по ровной поверхности [1]. Поэтому при синтезе режима движения привода адаптации ортогонального шагающего движителя в условиях недетерминированной опорной поверхности целесообразно учитывать показатель комфортабельности.

Комфортабельность режима движения, обеспечиваемая приводом адаптации ортогонального шагающего движителя, может быть оценена скоростью взаимодействия опоры шагающего движителя с грунтом. Чем больше эта скорость, тем интенсивнее удары, передающиеся на привод адаптации и корпус шагающего робота.

При точном определении расстояния до опорной поверхности L возможно безударное взаимодействие, обеспечивающее максимальную комфортабельность. Однако в силу возможной ошибки определения расстояния до опорной поверхности AL на конечном этапе движения при опускании опоры х - Ах t х необходимо предусмотреть значимость показателя скорости. В этом случае комфортабельность, обеспечиваемая приводом адаптации, может быть оценена безразмерным показателем (2.30). где Ах является параметром оптимизации.

Значительное влияние на динамику привода адаптации ортогонального шагающего движителя оказывают свойства грунта. Согласно [29], [236] по своим физическим свойствам грунты подразделяются на скальные, связные, сыпучие и органические. Скальные грунты отличаются высокой прочностью и связанностью за счет молекулярных сил сцепления частиц. К таким грунтам относятся граниты, известняки, песчаники. Характерной особенностью связных грунтов (глин) является наличие сил сцепления частиц, величина которых зависит от влажности грунта. Сыпучие грунты (пески) характеризуются незначительными сцепными свойствами только во влажном состоянии. Сцепные свойства органических грунтов (ил, торф) зависят от наличия в грунте склеивающих органических веществ и весьма разнообразны.

Проведенные Е. С. Брискиным и В. В. Чернышевым [26], [29] исследования показали, что при взаимодействии опоры шагающего движителя с грунтом возникают колебания, параметры которых зависят от характеристик грунта и быстроты переступания. В этом процессе имеют место моменты времени, когда нормальная реакция меньше средней и эффективный коэффициент сцепления убывает, что подробно исследовано [13], [47] и используется в вибрационных технологиях [37], [38]. Но существуют и интервалы времени, в которых нормальная реакция превышает среднее значение.

Для упругих (жестких) грунтов характерна практически полное отсутствие пластической деформации и малая упругая деформация при нагружении. К таким грунтам относятся скальные грунты и ряд искусственных покрытий. При движении по упругому грунту после смены опор шагающего движителя имеют место их относительно быстро затухающие колебания, сопровождающиеся соответствующим изменением опорных реакций (рисунок 2.8, 2.9).

Максимальные значения нормальных реакций грунта при этом более чем вдвое превышают статические [26], [29]. Рисунок 2.8 – Изменение нормальной реакции грунта за один цикл для упругого грунта (нормальная жесткость 500 кН/м, коэффициент вязкого сопротивления 10кНс/м) [29], [236] Рисунок 2.9 – Изменение нормальной реакции грунта за один цикл для вязкоупругого грунта (нормальная жесткость 50 кН/м, коэффициент вязкого сопротивления 10 кНс/м) [29], [236] Вязкоупругие грунты характеризуются значительными пластическими и небольшими упругими деформациями. К таким грунтам относятся связанные грунты, а также часто встречающиеся грунты, представляющие, в основном, смесь глины, песка и перегноя. В случае движения по вязкоупругому грунту характер колебаний меняется, и максимальные значения нормальных реакций более чем на 80 % превышают статические (рисунок 2.8).

К вязким грунтам в основном относятся связанные и органические грунты в переувлажненном состоянии, обладающие невысокими упругими свойствами. При движении по вязкому грунту имеет место постепенное, в течение половины шага, погружение опоры шагающего движителя в грунт, а увеличение опорных реакций возникает только в момент смены опоры (рисунок 2.10) [26], [29].

Исследования быстродействия разработанной системы управления приводами адаптации

Аналогично архитектуре управляющей системы, архитектура разработанной информационной системы адаптации к опорной поверхности шагающего робота «Ортоног» (рисунок 3.6) также содержит три уровня: – исполнительный уровень (встроенные датчики линейных сервоприводов и блоков управления линейными сервоприводами); – тактический уровень (основные и дублирующие датчики расстояния до опорной поверхности, датчик положения корпуса робота, платы сопряжения); – стратегический уровень (датчики распознавания препятствий, система технического зрения).

Исполнительный уровень содержит встроенные в линейные сервоприводы датчики положения штока, электрического тока электродвигателя и температуры. Данные датчики позволяют определять положение штока линейного сервопривода (длину его выдвижения) с точностью до 0,1 мм, ток электродвигателя сервопривода в процентах относительно номинального значения с точностью до 0,1 %, а также контролировать температуру электродвигателя для исключения его перегрева. Дифференцированием сигнала положения штока в блоках управления линейными сервоприводами формируются сигналы скорости и ускорения штока. Тактический уровень содержит оптические и акустические датчики расстояния до опорной поверхности в зоне взаимодействия опоры шагающего движителя с грунтом, датчик положения (ориентации) корпуса робота, устройства преобразования и обработки сигналов датчиков и средства обеспечения информационного взаимодействия с управляющей системой.

В разработанной измерительной системе шагающего робота «Ортоног» тактический уровень каждого движителя выполнен с применением: – ультразвукового сонара URM37 V3.2 Ultrasonic Sensor (датчик расстояния до опорной поверхности); – оптического датчика приближения SHARP GP2Y0A21YK (дублирующий датчик расстояния до опорной поверхности) ; – датчика ориентации СH Robotics UM6-LT (датчик положения корпуса машины); – платы микроконтроллера STM32F4DISCOVERY (плата сопряжения для подключения датчиков к бортовой ЭВМ с функцией предварительной обработки сигналов). Ультразвуковой сонар URM37 V3.2 Ultrasonic Sensor предназначен для определения расстояния между тарелью шагающего движителя и опорной поверхностью. Данный датчик относится к локационным – расстояние определяется по времени задержки между излучением и приемом ультразвукового импульса. В состав сонара также входит датчик температуры, обеспечивающий коррекцию значений расстояния в зависимости от температуры окружающей среды. Диапазон измерения расстояния составляет 4…500 см, точность измерения 2,6 см, диаграмма направленности сонара представлена на рисунке 3.7. Преобразование измеренной длительности задержки в расстояние осуществляется встроенным микроконтроллером. Подключение сонара к управляющей системе осуществляется по интерфейсу RS-232.

В качестве дублирующего датчика расстояния до опорной поверхности используется оптические датчики SHARP GP2Y0A21YK. Рисунок 3.7 – Диаграмма направленности сонара URM37 Датчик SHARP GP2Y0A21YK содержит инфракрасный светодиод (LED) с линзой, излучающие сфокусированный световой луч. Отраженный от объекта луч попадает на позиционно-чувствительный фотоэлемент (position-sensitive detector – PSD). Местоположение, падающего на фотоэлемент луча, определяет выходное напряжение датчика, после оцифровки которого, аналого-цифровым преобразователем платы сопряжения по известной выходной характеристике вычисляется расстояние до опорной поверхности. Применение метода триангуляции для измерения расстояния позволило значительно снизить влияние внешнего освещения и светоотражающих свойств (цвета) поверхности на точность измерения расстояния. Выходной сигнал датчика – аналоговый, выходная характеристика приведена на рисунке 3.8.

Для преобразования значения выходного напряжения оптических датчиков в значение расстояния до опорной поверхности и передачи полученных значений в бортовую ЭВМ используются платы сопряжения STM32F4DISCOVERY, по одной на каждый шагающий движитель, с микроконтроллером на базе ядра ARM Cortex-M4. Разработанное программное обеспечения микроконтроллера платы сопряжения выполняет также предварительную обработку аналогового сигнала. Предварительная обработка включает нелинейный медианный фильтр, который обеспечивает отсечение всплесков и провалов сигнала, и фильтр Гаусса, который сглаживает аналоговый сигнал.