автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Динамическая модель мобильного РТК как сложной мехатронной системы

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ ПО ДАННОЙ ТЕМАТИКЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ существующих схем движителей.

1.2. Анализ моделей сочлененных колесных машин.

1.3. Анализ устойчивого движения сочлененных колесных машин.

1.4. Моделирование внешних условий движения.

1.5. Анализ систем управления мобильными роботами.

1.6. Моделирование поведения мобильных робототехнических комплексов на местности.

Постановка задач исследования.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РОБОТОТЕХНИЧЕС-КОГО КОМПЛЕКСА НА БАЗЕ СОЧЛЕНЕННОЙ КОЛЕСНОЙ

МАШИНЫ.

2.1 .Сила сопротивления движению в подвижной системе координат

2.2. Моменты сил сопротивления прямолинейному движению в подвижной системе координат.

2.3. Сила взаимодействия между опорным основанием и колесами.

2.4. Силы реакции под колесами.

2.5. Моменты от сил нормальных реакций.

2.6. Модели трансмиссии СКМ.

Актуальность. Одним из важнейших направлений проектирования перспективной военной техники является создание мобильных безэкипажных наземных машин, предназначенных для выполнения широкого спектра военных задач. Данное направление, перспективное и динамично развивающееся, обусловлено стремлением снизить потери в живой силе, компенсировать недостаточность личного состава в армейских подразделениях, минимизировать влияние «человеческого фактора». В этой связи развитие мобильных робототехнических комплексов военного назначения, функционирующих в боевых условиях, представляется актуальным.

В НИИ СМ с 1997 г. ведутся работы по разработке безэкипажной колесной машины. На сегодняшний день создан и прошел испытания дистанционно управляемый прототип [24] (рис. В.1.).

Рис. В. 1. Дистанционно управляемый прототип робототехнического комплекса на базе сочлененной колесной машины

В настоящее время известны и получили широкое распространение различные типы колесных робототехнических комплексов (КРТК). Наиболее известны типы КРТК, управление направлением движения которых осуществляется поворотом одной (несколькими) парами колес. В условиях относительно низкого сопротивления прямолинейному движению, высокого сцепления и на скоростях много ниже критических, такие способы управления однозначно определяют траекторию движения машины.

Однако, в некоторых случаях, например, при эксплуатации на пересеченной местности, целесообразным является применение КРТК на базе сочлененной колесной машины (РТК СКМ). Управление направлением движения такой машины осуществляется путем изменения угла между сопряженными звеньями (рис.В.2). В этом случае кинематической однозначности достичь не удается, так как массы обоих звеньев сопоставимы и их положение в пространстве зависит от многих нелинейных факторов (тяговые силы, силы сопротивления движению, силы, возникающие в узле сочленения и пятнах контакта колес с опорной поверхностью, неравномерные нагрузки по колесам и др.).

В этой связи применение существующих систем автоматизированного управления движением представляется затруднительным и необходима разработка такой системы управления движением РТК СКМ, которая способна функционировать в условиях неоднозначной реакции машины на управляющие воздействия.

Л \ /' л • 4 ^ / '■'■ , ,,: ■ / ' . х / ' ■ О, /

•Игсл v-IOIIO (iniill

Рис. В.2. Кинематическая схема РТК СКМ

Цель работы - развитие методов проектирования системы управления движением РТК СКМ, функционирующей в условиях случайных возмущений от внешней среды. Для достижения этой цели в работе решены следующие основные задачи:

• разработана модель внешних возмущений,

• создана оригинальная математическая модель мобильного робототехнического комплекса на базе сочлененной колесной машины,

• разработан алгоритм управления поворотом РТК СКМ,

• проведены экспериментальные исследования.

Обзор и анализ диссертационной работы. Диссертационная работа имеет следующую структуру:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создана новая математическая модель движения РТК СКМ, которая является основой для проектирования системы управления движением. В модели учитывается неудерживающий и неголономный характер связей, наложенных на машину, что дает возможность моделировать поведение объекта при наличии юза и буксования и отрыва колес от опорной поверхности, с учетом нелинейных характеристик РТК СКМ и грунта. Использование математической модели позволит сократить время на разработку и доводочные испытания СКМ.

2. Показано, что использование уравнений динамики РТК СКМ в подвижной системе координат позволяет отказаться от ряда известных допущений и, тем самым, повысить адекватность и точность описания общего случая движения машины.

3. Установлено, что использование метода неканонических представлений случайной функции для моделирования рельефа местности и физико-механических свойств опорного основания по траектории движения, эффективно, для решения задач связанных с теоретическими исследованиями систем управления.

4. Полученные статистические характеристики вертикальных ускорений корпуса РТК СКМ позволяют формировать технические требования к оборудованию, крепящемуся к корпусу РТК СКМ, а также выполнять динамический расчет узлов и агрегатов робота на прочность.

5. Результаты расчетов при криволинейном движении по неровностям согласуются с экспериментальными данными на всех исследуемых скоростях с точностью, приемлемой для решения задачи управлении движения РТК СКМ. Максимальное

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе были созданы модель внешних возмущений и динамическая модель сложной мехатронной системы - РТК СКМ, разработана методика создания системы управления движением РТК СКМ на основе оригинальной математической модели движения РТК СКМ, разработан алгоритм управления направлением движения РТК СКМ.

На основе результатов выполненных исследований для практического использования при проектировании РТК СКМ предложен комплекс программ для ЭВМ, использование которого позволит имитировать динамику криволинейного движения РТК СКМ по заданной траектории в условиях нелинейного воздействия внешней среды.

Внедрение работы рекомендуется в НИИ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Основные положения и результаты диссертации докладывались на международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века» (г. Воронеж, 2001 г.), а так же на научно-технических семинарах в отделе СМ4-4 НИИ СМ и на кафедре "Специальная робототехника и мехатроника" МГТУ им. Н.Э. Баумана.

По материалам диссертации опубликовано четыре работы.

1. Аксенов П.В., Многоосные автомобили. М.: Машиностроение, 1989.-264 с.

2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А., Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1980.- 976 с.

3. Бурдаков С.Ф., Мирошник И.В., Стельмаков Р.Э., Системы управления движением колесных роботов. СПб.: Наука, 2001.- 227 с.

4. Вафин В.К., Брекалов В.Г., Смирнов С.И. Исследование корреляций некоторых параметров дорожных условий // Труды МВТУ. -1984.-№ 441.- С. 15-21.

5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Машиностроение, 1962.- 564 с.

6. Ветлинский В.Н., Осипов А.В. Автоматические системы управления движением автотранспорта. JL: Машиностроение, 1986.-216 с.

7. Военная робототехника состояние и перспектива развития / Дакота Н.А., Лапшов B.C., Рубцов В.И. и др. // Оборонная техника.- 2000.-№1.- С. 3-6; №2.- С. 4-5.

8. Гаврин Н.О. Прогнозирование движения роботизированной гусеничной машины: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.: МГТУ, 2001.- 180 с.

9. Горелик A.M. Условия устойчивости движения автомобиля. // Труды НАМИ.- 1953.- Вып.71.- 79 с.

10. Дмитриев А.А., Чобиток В.А., Тельминов. Теория и расчет нелинейных систем подрессоривания гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1976.- 208 с.

11. Дмитриченко С.С., Завьялов Ю.А. Методические основы исследования микропрофилей дорог и полей для решения задач динамики тракторов // Межвузовский сборник научных трудов. М. 1983,-С. 49-60.

12. Забавников Н.А. Основы теории транспортных гусеничных машин. М.: Машиностроение,- 1967. 216 с.

13. Зенкевич C.JL, Ющенко А.С. Управление роботами. М.: Изд-во МГТУ, 2000.- 400 с.

14. Котиев Г.О. Прогнозирование эксплутационных свойств систем подрессоривания военных гусеничных машин. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МВТУ, 2000.- 65 с.

15. Кулешов B.C., Котиев Т.О., Серебренный В.В. Управление мобильным робототехническим комплексом на базе двузвенной сочлененной машины. // Кибернетика и технологии XXI века: Материалы международной конференции. Воронеж.- 2001.- С. 615623.

16. Ловцов Ю.И., Белов А.П. Моделирование внешних возмущений, действующих на гусеничную машину при ее неустановившемся движении // Труды МВТУ. 1980. - № 339.- с. 68-84.

17. Ловцов Ю.И., Маслов В.К., Харитонов С.А. Имитационное моделирование движения гусеничных машин. -М.: МВТУ, 1989.- 60 с.

18. Малиновский Е.Ю., Гайцгори М.М. Динамика самоходных машин с шарнирной рамой. М.: Машиностроение, 1974.- 176 с.

19. Мирошник И.В., Говядинкин Д.С., Дроздов В.И., Системы управления транспортной тележкой // Управление в оптических и электромеханических системах. Межинст. сб.- Л.: ЛИТМО, 1989.- С 119-123.

20. Многофункциональный мобильный комплекс для отработки перспективных технологий военной робототехники / Кутузов А.Н., Наумов В.Н., Рубцов И.В.и др. // Оборонная техника.- 2000.- №1.- С. 6-7, №2.- С. 9-10.

21. Научно-технический отчет по теме / Мехатронные средства для автоматизации современных и перспективных роботизированных специальных систем. / НИИ Специального Машиностроения. МГТУ им. Баумана. Руководитель темы Рубцов И.В. М.- 2001,- 68 с.

22. Научно-технический отчет по теме / Клавир-2 / НИИ Специального Машиностроения. МГТУ им. Баумана. Руководитель темы Рубцов И.В.- М.- 2000,- 134 с.

23. Неймарк Ю. И., Фуфаев Н. А. Динамика неголономных систем.-М.: Физматгиз, 1957.- 336 с.

24. Павловский М.А., Путята Т.В. Теоретическая механика. Киев: Вища школа, 1985.- 328 с.

25. Певзнер Я.М. Теория устойчивости автомобиля. М.: Машгиз, 1947.- 156 с.

26. Петрушов В.А., Шуклин С.А., Московии В.В. Сопротивления качению автомобилей и автопоездов. М.: Машиностроение, 1975.126 с.

27. Платонов В.Ф., Леиашвили Г.Р. Гусеничные и колесные транспортно-тяговые машины. -М: Машиностроение, 1986.- 296 с.

28. Разработка концепции роботизации ВВТ базовых технологий и экспериментальных образцов многофункционального наземного робота в интересах видов ВС РФ. / НИИ специального машиностроения. МГТУ им. Баумана.- М. -1996.- 59 с.

29. Рокар И. Неустойчивость в механике. М.: ИЛ., 1959.- 287 с.

30. Савочкин В.А., Дмитриев А.А. Статистическая динамика транспортных и тяговых гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1993.- 320 с

31. Серебренный В.В. Моделирование робототехнического комплекса на базе двузвенной сочлененной машины // Мехатроника. 2002.- №1.- С. 11-16.

32. Силаев А. А. Спектральная теория подрессоривания транспортных машин. М.: Машиностроение, 1972.- 202 с.

33. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин. М.: Машиностроение, 1990.- 352 с.

34. Снегоходные машины. Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1986.- 191 с.

35. Шалыгин А. С., Палагин Ю.И. Прикладные методы статистического моделирования. Л.: Машиностроение, 1986.- 320 с.

36. Шмаков А.Ю. Прогнозирование характеристик криволинейного движения сочлененных гусенечных машин: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- М.: МГТУ, 2001.- 121 с.

37. Joint Robotics Program Master Plan 2001 .-Washington: Pentagon, 2001.- 105 p.