Лазерная система управления движением мехатронного комплекса для строительства минитоннелей

Ваколюк, Александр Ярославич

Роботы, мехатроника и робототехнические системы

автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Лазерная система управления движением мехатронного комплекса для строительства минитоннелей

кандидата технических наук: Ваколюк, Александр Ярославич
город: Новочеркасск
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.02.05

Диссертация по машиностроению и машиноведению на тему «Лазерная система управления движением мехатронного комплекса для строительства минитоннелей»

Автореферат диссертации по теме "Лазерная система управления движением мехатронного комплекса для строительства минитоннелей"

На правах рукописи

4849807

Ваколюк Александр Ярославич

ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ МЕХАТРОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МИНИТОННЕЛЕЙ

Специальность 05.02.05 - «Роботы, мехатроника иробототехнические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 6 июн 2011

Новочеркасск - 2011

4849807

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Глебов Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Павленко Александр Валентинович;

кандидат технических наук, доцент Валюкевич Юрий Анатольевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Донской государственный тех-

нический университет» (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится « 4 » июля 2011 г. в 1200 на заседании диссертационного совета Д.212.304.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 107 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru

Автореферат разослан «3» июня 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор B.C. Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Переход к рыночной экономике, реформирование жилищно-коммунального комплекса в условиях значительного износа и старения инженерных систем жизнеобеспечения городов и населенных пунктов России, отсутствие достаточных материальных и финансовых ресурсов на их реновацию значительно обострили в последние годы проблему обеспечения требуемой надежности и экологической безопасности подземных коммуникаций городов России.

Тенденции последних лет указывают на то, что коммунальными службами городов-мегаполисов различных стран всё большее внимание уделяется вопросам использования перспективных бестраншейных технологий восстановления (санации) и прокладки новых водопроводных, водоотводящих и других коммунальных сетей, что является альтернативой традиционному открытому способу реконструкции и строительству трубопроводов котлованным и траншейным способами.

В большинстве российских городов из-за недостатка или отсутствия соответствующего оборудования и материалов, а также средств для их приобретения, ремонт и прокладка коммуникаций производятся преимущественно открытым способом, что ведёт к резкому увеличению стоимости работ и сроков строительства объектов, а также к необходимости разрушения дорожных покрытий.

С учетом 60-80% изношенности подземных коммуникаций, а также, принимая во внимание потребность в строительстве новых коммуникаций, отечественный и зарубежный опыт, следует считать, что самым перспективным оборудованием для сооружения минитоннелей в настоящее время являются различные тоннелепро-ходческие и минищитовые комплексы в общем случае представляющие собой ро-бототехнические и мехатронные комплексы.

Большой вклад в развитие теоретических положений робототехники и мехатро-ники внесли учёные И.М. Макаров, К.В. Фролов, Е.П. Попов, B.C. Кулешов,

A.С. Ющенко, Е.И. Юревич. Ю.В, Подураев, А.К. Тугснгольд, А,В. Тимофеев,

B.М. Лохин, М.П. Романов, С.В. Манько, В.Ф. Казмиренко, И.А. Каляев, Ю.В. Илюхин, С.Ф. Бурдаков, А.В. Павленко и другие. Значительный вклад в развитие и повышение эффективности функционирования мехатронного горного технологического и тоннелепроходческого щитового оборудования внесли учёные: А.И. Берон, В.А. Бреннер, Г.М. Водяник, А.Н. Дровников, В.Т. Загороднюк, Н.А. Глебов, Д.Я. Паршин, Л.И. Кантович, Н.Г. Картавый, М.Г. Крапивин, В.Г. Михайлов, Е.З. Позин, М.М. Протодьяконов, М.И. Слободкин, В.И. Солод, Н.И. Сысоев, A.M. Терпигорев, Г.Ш. Хазанович, Ю.М. Ляшенко, В.Г. Афанасьев и другие.

За рубежом и в нашей стране имеется множество различных видов минищитов и тоннелепроходческих комплексов для строительства минитоннелей, однако применение многих из них в современной плотной городской застройке затруднительно или вовсе невозможно из-за их недостаточной автоматизации и информатизации. В связи с этим одним из важнейших направлений повышения эффективности и гибкости функционирования минищитовых комплексов является оснащение их мехатрон-ными устройствами автоматического управления движением относительно проектного направления проходки по прямолинейным и криволинейным траекториям, включающих в себя как устройства задания направления, контроля положения, обмена информацией, так и устройства маневрирования комплексом в грунте.

В настоящее время разработаны и применяются множество различных систем контроля положения, дистанционного управления тоннелепроходческими ком-

плексами посредством кабельных, радио и оптических каналов передачи информации, однако каждая из них обладает рядом недостатков. Телеуправление по кабельным и радиоканалам связи ограничено условиями эксплуатации этих систем, в то время как оптические разработаны в основном для комплексов больших диаметров и имеют свою специфику.

По данным "Российского общества по внедрению бестраншейных технологий" (РОБТ), 99% всех подземных коммуникаций в России прокладываются в скважинах диаметром до 900мм, что не позволяет оператору и обслуживающему персоналу находиться в забое, тем самым накладывая определённые требования к системам контроля и управления.

Таким образом, задача разработки принципов, методов и средств, позволяющих повысить эффективность, гибкость и безопасность управления мехатронным комплексом для сооружения минитоннелей является весьма актуальной.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ(НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГТУ(НПИ) «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов» и соответствует госбюджетным темам П.3.837 «Разработка принципов и средств автоматизации и роботизации производства на основе мехатронных технологий и систем» (2004-2008г.г.), П.3.865 «Разработка теории и принципов построения интеллектуальных мехатронных и робототехнических систем» (2009-2013г.г.), а также темам НИР по заданию министерства образования и науки на проведение научных исследований 1.11.05Ф «Разработка научных основ создания мехатронных технологий горных, нефтегазодобывающих и строительных производств (2005-2009г.г.)» и 1.9.10Ф «Разработка теории и принципов построения мехатронных и робототехнических систем горных, нефтегазодобывающих и строительных производств» (2010-2012г.г.).

Целью диссертационной работы является повышение эффективности и безопасности управления мехатронным тоннелепроходческим комплексом для строительства минитоннелей путём разработки методов и средств контроля пространственного положения минищита относительно проектного направления движения и осуществления обмена служебной информацией между пультом оператора и оборудованием минищита.

Актуальная научная задача, решению которой посвящена диссертация -разработка комплекса принципов, методов и средств, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности управления мехатронным тоннелепроходческим комплексом для строительства минитоннелей благодаря своевременному контролю положения и оперативной реакции на возникающие отклонения движения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ современных способов сооружения минитоннелей с помощью тоннелепроходческих комплексов и определить возможные направления повышения их эффективности и безопасности управления;

- провести анализ современных концепций, методов и средств, позволяющих осуществлять дистанционный контроль пространственного положения тоннелепроходческих минищитов, обмениваться информацией между оборудованием комплекса и оператором в условиях тоннелестроения, а также определить основные требования, предъявляемые к аппаратным информационно-измерительным средствам при сооружении минитоннелей;

- разработать математическую модель мехатронного тоннелепроходческого комплекса и выполнить её анализ с целью определения характеристик движения минищита и параметров, которые необходимо контролировать во время движения;

- разработать метод определения пространственных координат минищита в системе координат, связанной с осью проходимого минитоннеля;

- разработать алгоритм формирования управляющих воздействий для корректировки пространственного положения минищита;

- разработать метод обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита для передачи данных и команд управления;

- разработать структуру системы определения пространственных координат минищита, обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита, управления, а также алгоритм её функционирования;

- разработать математическую модель системы определения пространственных координат минищита, обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита, провести её компьютерное исследование с целью определения рабочих характеристик, а также выявления оптимальных конструктивных параметров для удовлетворения предъявляемым к системе требованиям;

- исследовать влияние среды распространения лазерного излучения (атмосферы) на его мощность, регистрируемую на удалении от источника;

- на основе предложенных принципов и методов разработать аппаратно-программные средства определения пространственных координат мехатронного тоннелепроходческого минищита, осуществления обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита;

- провести экспериментальные исследования работоспособности разработанных аппаратно-программных средств.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1) математическая модель движения в пространстве мехатронного тоннелепроходческого комплекса для строительства минитоннелей, позволяющая путём анализа её характеристик методами компьютерного моделирования, установить закономерности движения тоннелепроходческого минищита, взаимодействие комплекса с вмещающими породами и параметры, которые необходимо контролировать при управлении движением минищита;

2) метод дистанционного определения пространственного положения минищита в базовой системе координат и управления его движением, основанный на определении координат двух точек минищита в локальной системе координат, связанной с лазерным задатчиком направления, определении угла крена и пройденного пути с помощью набора датчиков, определении курсового угла, угла уклона и обмена полученной информацией между пультом оператора и оборудованием минищита посредством лазерного излучения;

3) метод расчёта лазерной информационно-измерительной системы, основанный на анализе математической модели системы определения пространственных координат минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита, заключающийся в использовании компьютерной модели устройства, позволяющей задавая различные исходные данные анализировать её работоспособность и выбирать оптимальные параметры системы для достижения требуемых показателей точности определения координат, быстродействия системы и другое.

4) обоснование структуры устройства, позволяющего определять пространственное положение мехатронного минищита, обмениваться информацией с пультом оператора и управлять процессом сооружения минитоннеля в автоматизированном и автоматическом режимах.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

1) математическая модель движения мехатронного тоннелепроходческого комплекса отличается учётом жёсткости прокладываемой трубы, переменной силы трения корпуса прокладываемой трубы о грунт, массогабаритных параметров комплекса и физико-механических свойств разрушаемой среды;

2) метод дистанционного определения пространственного положения минищита в базовой системе координат и управления его движением отличается тем, что при определении пространственного положения минищита используются результаты измерения координат двух точек отрезка, смещённого от продольной оси минищита, относительно лазерного луча задатчика направления, расчёта курсового угла, угла уклона, а также координат ножевой и хвостовой точек минищита с учётом его крена в системе координат, связанной с проектной осью минитоннеля, что позволяет увеличить точность и эффективность управления мехатронным комплексом;

3) метод расчёта лазерной информационно-измерительной системы отличается тем, что при расчёте параметров системы учитываются конструктивные характеристики фотоприёмных матриц, диаметр луча лазерного задатчика направления, потери оптической мощности на фотоприёмных устройствах за счёт расходимости лазерного луча и влияния атмосферы;

4) структура устройства, отличающаяся связями, наличием модулей приёма/передачи информации посредством лазерного излучения и перепрограммируемых блоков обработки информации, позволяющих организовывать различные режимы функционирования оборудования с возможностью реализации интеллектуального управления им, а также возможностью подключения дополнительных датчиков состояния технологического оборудования тоннелепроходческого комплекса.

Объекты исследования- мехатронный тоннелепроходческий комплекс для строительства минитоннелей, информационно-управляющая система определения пространственных координат мехатронного тоннелепроходческого минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы мехатроники, робототехники, построения микропроцессорных систем, математического моделирования, аналитической геометрии, кинематического и динамического анализа, а также прикладного программирования. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные - на разработанном образце в лабораторных условиях.

Основные расчёты, моделирование и разработка управляющих программ выполнены с применением программных продуктов: MATLAB Simulink, Mathcad, САПР PROTEUS VSM, Filter Solutions, CodeVisionAVR.

ми экспериментальных испытаний созданного на их основе опытного образца лазерной информационно-измерительной системы определения пространственных координат мехатронного тоннелепроходческого миншцита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита; апробацией полученных научных результатов на международных и всероссийских конференциях и семинарах.

Научная и практическая ценность. Научное значение работы заключается в развитии теоретических положений, совершенствовании моделей, методов и средств контроля и управления пространственным положением мехатронного тоннелепроходческого минищита для строительства минитоннелей и осуществления обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита.

Практическое значение полученных в работе результатов заключается в следующем:

- разработанные математические модели мехатронного тоннелепроходческого комплекса и лазерной системы определения пространственных координат минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита позволяют выбирать оптимальные конструктивные параметры информационно-измерительной системы для достижения требуемых технологических показателей точности определения координат, дальности действия, скорости обмена информацией и др.;

- повышение безопасности и эффективности управления мехатронным тонне-лепроходческим комплексом для строительства минитоннелей за счёт оснащения комплекса лазерной системой определения пространственных координат минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита, предоставляющей возможность оперативного контроля состояния технологического оборудования комплекса и дистанционного управления им.

Внедрение результатов диссертационных исследований. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника» ЮРГТУ(НПИ) для студентов специальностей 22040265 «Роботы и робототехнические системы» и 22040165 «Мехатроника». Приняты к внедрению в ООО НПП «ВНИКО» в качестве устройств обмена информацией посредством лазерного излучения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: 7-й международной конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г. Новочеркасск, 2004г.); научной конференции студентов и аспирантов ЮРГТУ(НПИ) «Студенческая научная весна - 2005, 2007» (г. Новочеркасск, 2005,2007г.г.); первой всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (с международным участием) «Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы» (г. Таганрог, 2005г.); всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика-2005», «Эврика-2006» (г. Новочеркасск, 2005, 2006г.г.); XIX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 19» (г.Воронеж, 2006г.); 55-ой и 59-ой научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов университета ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, 2006, 2010г.г.); международном научно-практическом коллоквиуме «Проблемы мехатроники- 2006, 2008» (г. Новочеркасск, 2006, 2008г.г.); 7-й научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ-2010) (г. Санкт-Петербург, 2010г.); международной научно-технической конференции «Искусственный интеллект. Интеллектуальные системы - 2010» (ИИ-2010) (п. Каци-

вели, Украина, 2010г.); международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» в рамках международного салона «Комплексная безопасность» (г. Москва, 2010 г.); шестой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (г. Таганрог, 2011г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 печатных работ (4 из которых без соавторов), в том числе два патента на изобретение и 2 статьи, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений; изложена на 171 странице основного машинописного текста и 25 страницах приложений, содержит 86 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 72 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведён анализ тоннелепроходческих комплексов, оборудования, методов и средств для сооружения минитоннелей различного диаметра. Рассмотрено четыре основных способа сооружения минитоннелей с помощью бестраншейных технологий: прокол, продавливание, горизонтальное направленное бурение и микротоннелирование. Установлено, что управление такими комплексами зачастую осуществляется без специализированных систем контроля пространственного положения и устройств корректировки этого положения, что может приводить к возникновению нештатных ситуаций при проходке тоннеля и связанных с уходом тоннелепроходческого минищита с планируемой трассы. Отсутствие должных систем контроля состояния технологического оборудования вызывает его частые перегрузки или недогрузки во время функционирования и как следствие выход из строя или снижение темпов сооружения тоннелей. Известны способы сооружения минитоннелей, где обслуживающий персонал находится в призабойном пространстве постоянно в сидячем положении, при этом он подвергается большому риску получения травм и испытывает дискомфорт.

Таким образом установлено, что для повышения эффективности и безопасности управления тоннелепроходческим комплексом его необходимо оснащать специализированными системами контроля пространственного положения минищита, состояния технологического оборудования и системами обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита. На основании проделанного анализа существующих систем управления тоннелепроходческими комплексами среднего и большого диаметров установлено, что наиболее оптимальными являются лазерные системы контроля положения. Обмен информацией с оборудованием щита осуществляется посредством проводных или радиоканалов. Детальный анализ таких систем показывает, что их применение при сооружении минитоннелей достаточно затруднительно в силу специфических особенностей минищитовых комплексов; оснащаться лазерными системами могут тоннелепроходческие комплексы основанные на методе продавливания и микротоннелирования. Сделан вывод о необходимости разработки методов и средств осуществления контроля пространственного положения мехатронного тоннелепроходческого минищита, контроля состояния технологического оборудования, обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита посредством лазерного излучения и управления.

Рассмотрены принципы построения систем контроля пространственного положения тоннелепроходческих щитов и принципы построения систем односторон-

него и двустороннего обмена информацией посредством лазерного излучения в аналоговой и цифровой форме.

На основе анализа тоннелепроходческих комплексов, систем контроля и обмена информацией, а также накопившегося опыта по эксплуатации существующих лазерных систем управления движением, сформулированы основные требования, которым должны удовлетворять современные системы оптического контроля пространственного положения минищитов, обмена информацией и управления. Обоснована актуальность создания лазерной системы определения пространственных координат мехатронного тоннелепроходческого минищита, обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита и управления, а также сформулированы основные задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию математической модели мехатронного тоннелепроходческого комплекса, разработке метода дистанционного определения пространствешюго положения минищита в базовой системе координат, а также рассмотрению принципа построения лазерной системы определения пространственных координат минищита, обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита и управления.

В процессе функционирования тоннелепроходческого комплекса на него оказывают влияние различные внешние и внутренние факторы, приводящие к изменению пространственного положения минищита и направления его движения. Для анализа этого изменения составлена математическая модель комплекса.

Для соответствия проходимого минищитом тоннеля проектному, необходимо чтобы продольная ось минищита совпадала с осью тоннеля на прямолинейных участках или была касательной к ней на криволинейных участках минитоннеля. Следовательно, задача управления направленным движением тоннелепроходческого минищита (рис. 1) сводится к управлению положением продольной оси минищита относительно оси тоннеля с помощью гидродомкратов отклонения.

Рисунок 1 - Минищит в неподвижной системе координат:

1 - проталкивающие гидродомкраты; 2 - прокладываемая труба; 3 - гидродомкраты отклонения;

4 - минищит; 5 - исполнительный механизм.

Положение продольной оси минищита в системе координат OnXnYnZn, связанной с проектной осью минитоннеля, полностью определяется координатами двух ее точек, лежащих в передней и задней торцевых плоскостях. Точку, лежащую на оси минищита в передней торцевой плоскости, будем называть ножевой, а её координаты XiYiZi. Точку, лежащую на оси минищита в задней торцевой плоскости, назовём хвостовой, а её координаты Х2У222.

Скорость отклонения ножевой (хвостовой) точки продольной оси минищита складывается из скорости (Vy,Vz) перемещения точки разворота (TP) и скорости

IM1 . J UU ИЛ7 ., UU

вращения минищита вокруг точки разворота: — = Vz + ах —; — = vz — а2 —;

dYj dp dY2 ,, dp ™

~ = Vy + —; = Vy - a2 —, где а1( а2 - расстояние между TP и ножевой (хвостовой) точками соответственно; аир- углы между проекциями оси минищита на плоскости X0Z, ХОУ и положительным направлением оси ОХ.

Закон формирования малых углов а и р получим из уравнений равновесия моментов относительно осей 0ЩУЩ и 0Щ2Щ: Iy~f- = rzP - В1шу - В2а - fmG^ — Gar, I2~~[f = ryP ~ Bi<az — В2р, где ly,Iz — моменты инерции минищита относительно ОщУщ и OmZ,,,; шу, сог - угловые скорости вращения минищита вокруг осей 0ЩУЩ и 0mZm; Р — равнодействующая усилий Pi...Pi проталкивающих гидродомкратов и возникающей в трубе силы упругости; rv, гг - проекции радиуса вектора г точки приложения равнодействующей Р на оси 0ЩУЩ и 0mZm; Вi - коэффициент, учитывающий вязкое трение, определяемое свойствами пород в которых производится сооружение минитоннеля и параметры минищита; В2 - коэффициент, учитывающий геометрию минищита, величину зазора между оболочкой минищита и стенками выработки и глубину вдавливания минищита в грунт; fm - коэффициент трения корпуса минищита по породе; G, D- вес и наружный диаметр минищита.

Динамику поступательного движения комплекса можно рассматривать как динамику нагруженного поршня эквивалентного гидроцилиндра, масса которого равна суммарной массе поршней гидродомкратов перемещения. Уравнение движения гидродомкрата представим в виде: mjt = Р1/А„пг — F сг — Стр(Х — Хщ) — Fmp — aV, где т„- масса поршня эквивалентного гидродомкрата; Р„- перепад давления в полостях гидроцилиндра; А„-площадь поршня гидродомкрата; пг-количество одновременно включенных гидродомкратов; Fa- сила трения поршня о стенки гидроцилиндра; Ст- жесткость прокладываемой трубы при ее деформации; Х- перемещение поршня эквивалентного гидродомкрата; Хщ - перемещение тоннелепроходческого минищита; Fmp - сила трения по породе оболочки внедрённой в грунт трубы; а - коэффициент пропорциональности, учитывающий вязкое трение комплекса по породе; V-скорость движения трубы (минищита). Уравнение поступательного движения минищита имеет вид: тп,щХщ = Стр{Х — Хщ) — F с где тш - суммарная масса минищита с оборудованием; Fc - сила сопротивления внедрения минищита в грунт с учётом силы трения оболочки минищита по породе. Пренебрегая силой трения поршня о стенки гидроцилиндра, а также массой поршня, так как она мала по сравнению с массой тоннелепроходческого комплекса, уравнение поступательного дви-

d2X

жения минищита можно представить в виде: = Р — Fтр— Fс— aV. Ско-

рость поступательного движения минищита V определим из уравнения расхода Q„ его гидросистемы в следующем виде: QH = nA„V + китРн + • Ц*, где кит-

» 2co ut *

коэффициент утечек; v - эквивалентный объем рабочей камеры гидроцилиндра; Е0 - эффективное значение обобщенного модуля упругости. Измерение отклонения минищита от проектного направления движения производится с помощью системы определения пространственных координат описываемой выражениями: инпл = kdYv их.пл = kdY2. инпр. = kdzi> их.пр. = kdZ2. где кд- коэффициент передачи системы определения пространственных координат минищита. Таким образом, объединяя представленные уравнения, делая допущения об отсутствии взаимного

влияния движений в плане и профиле, получим систему уравнений, описывающую пространственное движение мехатронного тоннелепроходческого минищита: dYt п dp dY2 dp dZ1 da dZ2 da

dt ^ 1 dt dt и L dt dt 1 dt dt 1 dt

d2a da D d2p dp

__ + Bl — + B2a = rzP-fmG~- aG; Iz— + Bl — + B2p = ryP;

ydt2 dV

тш— = P-F„„-Fr-oV:

шdt

fttp

vrtg dPH

VH„л = kdYi; Um = kdY2■ ин„„ = l/,„A = k£2.

Линеаризуя уравнения движения минищита относительно малых отклонений параметров, получим дифференциальное уравнение движения тоннелепроходче-

СКОГО минищита + = «1 Рс + Fn,p) ^f+(Fc + Fmp)Vri.

Проведя исследование модели минищита в пакете Simulink MATLAB, получены графики изменения угловой скорости а)у, угла поворота а и координаты Zt ножевой точки минищита (рис. 2, 3) при следующих исходных данных: масса минищита -13500 кг; скорость движения минищита - 12 м/смену; равнодействующая усилий проталкивающих гидродомкратов - 4000 кН; диаметр минищита- 1,22 м; длина минищита - 3 м; момент инерции минищита относительно оси 0raY,„ IY к 11381 кг • м2. ю. 1Л_

0.04 0.02

"0 10 20 30 Ml 50 60 70 ВО 90 100 Рисунок 2 - Графики изменения угловой скорости и угла поворота минищита при смещении точки приложения равнодействующей усилия проталкивающих гидродомкратов

Zi,mm 120

100

i И ! i i i И

Г \ i j i

1 ! N

10 20 30 40 ~50 бГ 70 ~80 90 100

Рисунок 3 - Графики изменения координаты ножевой точки минищита и радиус-вектора точки приложения равнодействующей усилия проталкивающих гидродомкратов

Анализируя полученные графики можно сказать, что минищит является неустойчивым объектом, т.е. при воздействии на него внешних дестабилизирующих факторов минищит начинает отклоняться от первоначального направления проходки продолжая своё движение в новом направлении.

Для определения пространственного положения мехатронного тоннелепроходческого минищита относительно проектной оси и ведения его по заданному направлению достаточно контролировать координаты двух точек продольной оси минищита или координаты одной точки оси и углы наклона между осью минищита и её проекциями на координатные плоскости. Принимая во внимание технологические и конструктивные особенности минищитов, не всегда удаётся определить координаты двух точек продольной оси минищита и его положение необходимо определять по координатам двух точек не находящихся на оси минищита. На рисунке 4 представлен минищит круглого сечения диаметра d и длиной 1Ш в нескольких системах координат с произвольно выбранными точками D и Е: 0XYZ - базовая система координат, находящаяся на поверхности Земли (геодезическая основа); 0nXnYnZn - система координат связанная с проектной осью проходимого мини-

тоннеля; QnY.nYnZn - система координат связанная с лазерным задатчиком направления и относительно неё осуществляется определение координат точек D и Е;

Для успешного ведения минищита по заданной проектной траектории необходимо знать координаты точки Н в базовой системе координат и углы наклона между осью минищита и её проекциями на координатные плоскости. Координаты точки Н можно определить по выражениям следующего вида:

Х„ = 1Ш- cosa cosp + Jl2 - Y0H2 -Z0?;

YH - 'ш'cos a ' sinfi + У On-ZH = -(lu-sina + ZBM),

где L - пройденный минищитом путь; Y0M1 2B„ - координаты точки 0М в базовой системе координат.

В данные выражения входят четыре неизвестных величины: а, р, Y0M, Z0M. Учитывая угол крена минищита <рк, угол уклона а можно определить из следующего соотношения:

tga = [{z/e - гю) ■ cos <рк+ {ут - у£) • sinipK]jb2, где УлеЛле>Уло>2№ ~ координаты точек Е, D в проекциях на оси Ул и Zh системы координат, связанной с лазерным задатчиком направления (известные координаты); Курсовой угол Р определяется из выражения: tgp = [{Z/E - 2/в) ■ sln<pK+ СУ/Е - Ут) • costpK]/b2.

Координаты точки 0„ можно определить по выражениям следующего вида:

Y0m = ЛУЛ-[ft ■ sintp + Z/ц, ■ sin<Рк+У/в • cos<pK+ bt • tg p] • cos p ;

Z0„ = AZn - AZ/i+ [ft • cos <p + zm • cos <Pk~ ym • sintpK- bt tga]- cos a,

где <p = <рн + <p„, <рк- угол крена минищита; <рн- начальный угол.

Таким образом, можно сделать вывод, что для определения пространственных координат минищита в базовой системе координат 0XYZ необходимо определять координаты двух точек минищита в другой системе координат 0ЛХЛУя2п, относительно которой имеется возможность их прямого измерения при помощи различных технических средств.

Зная координаты ножевой и хвостовой точек минищита возможно определить его пространственное положение относительно проектной оси минитоннеля, на основании чего сформировать сигналы управления гидродомкратами отклонения минищита. Включение щдродомкратов позволяет развивать усилия PY и Pz, создающие управ-

ляющие моменты MY, Mz относительно осей 0MYM и которые поворачивают ми-ншциг и как следствие корректируют его положение. Усилия, создаваемые гидродомкратами, определяются по выражениям: Ру = Кщ •UY; Pz = Кгц" Uz> гДе ^гц ~~ ко~ эффициенг пропорциональности; UY, Uz - управляющие сигналы регулятора в плане и профиле, формируемые по результатам определения пространственной ориентации минищита относительно проектной оси с использованием рассчитанных координат хвостовой и ножевой точек.

Одним из основных элементов систем контроля пространственного положения тоннелепроходческих щитов с помощью оптического излучения является фотоприёмное устройство, которое должно выполнять функции антенны лазерного излучения. Такое фотоприёмное устройство с фотодетекторами должно находиться на оптическом луче независимо от положения машины в пространстве. Если лазер направить в соответствии с заданным направлением выработки, то фотоприёмное устройство, выполняя роль антенны, позволит осуществлять автоматический контроль заданного направления движения машины. Исходя из специфики миншцитовых комплектов и требований, предъявляемых к системе определения координат, наиболее эффективными являются многоэлементные матричные структуры с фоточувствительными элементами, закрепленными на прозрачной основе в узлах сетки, состоящей из нескольких проводников сгруппированных в строки и столбцы. Для определения координат двух точек минищита (уж, Z/%, у/в, Z/^) необходимо наличие двух матричных фотодетекторных структур как показано на рисунке 5.

Лазерный луч 1 от задатчика направления попадая на зафиксированное в минищите фотоприёмное устройство 2, состоящее из двух установленных на расстоянии Ь2 фотодетекторных матриц 3 и блока обработки информации 4, осуществляет засветку фотодетекторов, расположенных на интервале daxda. При этом блок обработки информации 4 фиксирует координаты засвеченных фотодетекторов на обеих матрицах и использует их для расчёта координат минищита.

Большинство оптических систем передачи информации используют двоичный код и простейшую амплитудную модуляцию (NRZ кодирование) с двумя значениями амплитуды сигнала, при этом все оптические системы передачи информации представляют собой последовательный интерфейс. Такой метод передачи информации снижает требования к модуляторам оптического излучения, позволяет повысить отношение сигнал/шум и достаточно легко осуществить его детектирование в приёмнике. Однако следует учитывать, что NRZ кодирование обладает целым рядом недостатков, для снижения которых предложен модифицированный принцип регистрации прямоугольных импульсов. Дифференцирование принимаемого сигнала даёт возможность избавиться от постоянных составляющих сигнала и перейти от регистрации его потенциалов к регистрации фронтов, тем самым восстанавливать в приёмной аппаратуре прямоугольные импульсы по регистрируемым фронтам.

На основании проведенного анализа разработана универсальная функциональная схема системы (рис. 6), позволяющая осуществлять определение пространственных координат двух точек минищита относительно луча лазерного задатчика, осуществ-

фотоприёмного устройства

лять обмен информацией между пультом управления и оборудованием миншцига посредством двух лазерных лучей, а также управлять оборудованием комплекса.

В третьей главе разработаны алгоритмы функционирования модулей минищита и оператора, входящих в состав системы определения пространственных координат минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита. Разработана и исследована математическая модель системы с целью проверки её работоспособности, выбора оптимальных параметров для удовлетворения предъявляемым к системе требованиям. Выполнено теоретическое исследование влияния атмосферы минитоннеля и расхождения луча лазера на его мощность.

Определено, что строительство тоннелей большого и малого диаметров осуществляется с применением большого количества технологических машин и агрегатов, а также мехатронных комплексов. Для эффективного и качественного сооружения тоннелей вся аппаратура, в том числе система определения пространственных координат минищита и обмена информацией, должна функционировать по заранее определенному алгоритму. В задачи системы входит контроль положения минищита относительно проектного направления движения, опрос датчиков состояния технологического оборудования, предварительная обработка полученных данных, обмен информацией с ЭВМ оператора по лазерным каналам передачи информации и формирование сигналов управления оборудованием.

Аппаратура оператора

СроЗа (атмосфера)

Аппаратура минищита

Лазер и ПереЭатцая

коЭулятор антенна

Монитор Вычислительное

Пульт устройство

Рисунок 6 - Функциональная схема системы определения пространственных координат минищита, обмена информацией и управления

Из разработанной функциональной схемы системы видно, что она представляет собой два модуля, предназначенных для монтажа в стартовом котловане и в минищи-те, при этом каждый модуль должен функционировать по своему определённому алгоритму. Для выполнения возлагаемых на систему задач она должна функционировать в следующей последовательности: осуществлять сканирование фотодетекторных матриц с последующим расчетом координат центра лазерного луча; опрашивать датчики состояния технологического оборудования и проводить первичную обработку полученной информации; осуществлять сеанс обмена информацией с ЭВМ оператора посредством оптического канала; декодировать и выполнять принятые от ЭВМ оператора команды. На основе этой последовательности составлены схемы алгоритмов функционирования модуля минищита (рис. 7) и модуля оператора (рис. 8).

( Начало

сканирование ножевой матрицы

обнуление переменных sumx=Q; sumy=0; N3=0 f

X„=sumx-10/N3 Y,=sumy-10/N3

сканирование хвостовой матрицы

обнуление переменных sumx=0; sumy=0; N3-0

i=0..n

j=0..n

> s

X„.=sumx-1D/N3 Y,.=sumy-10/N3

активация засвеченного лазером прямого

канала фотоЗетектара на хвостовой мотрице и его подключение ко входному информационному порту микроконтроллера

/посылка по обратному каналу сбяэи / стартобого байта (231щ), координат Хн. Хх информации с дшпчико!

получение Зонных и команЗ /

упрабления от ЭВМ оператора

декодирование и быполнение принятых от ЭВМ оператора команд

Рисунок 7 - Схема алгоритма функционирования модуля минищита

Начало j

Сканирование обратной линии связи "ЭВМ оператора ■

Опрос состояния Затчикоб технологического оборудования б

стартовом котловане *

/ Пересылка данных, полученных с

Затчикоб, 6 ЭВМ оператора /

'Получение данных от ЭВМ оператора/

Переключение коммутатора на подключение приёмного модуля обратного канала ко бходу ЭВМ оператора

Декодирование и Выполнение принятых от ЭВМ оператора команд

^ Конец )

Рисунок 8 - Схема алгоритма функционирования модуля оператора

Имея функциональную схему системы определения пространственных координат минищита и обмена информацией, а также алгоритмы функционирования её модулей можно провести компьютерное моделирование и исследование данной системы с целью проверки её работоспособности, точности определения координат и другого.

На рисунке 9 представлена модель модуля оператора, составленная в специализированном программном пакете САПР ISIS Proteus, включающего в свой состав модели электронных компонентов, с возможностью настройки их параметров. Модель состоит из передаточных функций и элементов описывающих: потери оптической мощности лазерного излучения в атмосфере (ATMOSFERA1), характеристики фототранзисторного элемента (FD_1, FD_2, FD_3), сопротивление нагрузки (NAGRUZKA), коэффициент передачи усилителя (PREDUS2), полосовой фильтр второго порядка (POLOSFILTR2), пороговое устройство (TRIGGER2), микроконтроллер (PROCESSOR2), элементы коммутации с замыкающими (1NO, 3NO) и размыкающими (2NC, 4NC) контактами, элементы согласования уровней цифрового сигнала (КЗ, К4), а также источники помех (fl, f2).

Исследование системы разбито на несколько этапов:

- исследование точности определения координат центра лазерного луча в зависимости от шага фотодетекторов в матрицах и диаметра лазерного луча;

- исследование помехоустойчивости системы к внешним засветкам фотодетекторов оптическим излучением различных частот и мощностей;

- проверка достоверности данных, передаваемых в ЭВМ оператора.

Исследование точности определения координат проведено при следующих параметрах: шаг фотодетекторов 10, 15мм; диаметр лазерного луча 17, 50мм. Движение минищита (фотоприёмного устройства) имитировалось таким образом, что лазерный луч задатчика направления описывал на хвостовой фотодетекторной матрице окружность радиусом 53мм, с центром в точке пересечения осей симметрии матрицы, и прямую проходящую по диагонали матрицы. В результате исследований получена серия графиков, пример одного из которых представлен на рисунке 10, пунктиром показаны допустимые границы отклонения измерения координаты ±5мм.

Для проверки точности функционирования системы при различных параметрах для каждого графика выполнен аналитический расчёт среднего арифметического значений х, абсолютной Ах, среднеквадратичной S и среднеквадратичной ошибки среднего арифметического 5г погрешностей. Погрешности, рассчитанные для приведённых на рисунке 10 графиков, составили: х = 1,37мм; S = 0,97мм; = 0,069мм; Ах = 0Д359мм. Средняя относительная погрешность составила £ — 2,34%. Максимальная абсолютная погрешность во время движения составила 4,53мм. При визуальном анализе графиков и полученных аналитическим путём значений установлено, что при шаге фотодетекторов 10мм и диаметре луча лазера 17мм и более, система определяет координаты с погрешностью находящейся в заданных пределах. При шаге фотодетекго-ров 15мм и диаметре луча 17мм, в некоторых положениях луча лазера возникают "провалы", т.е. на матрице отсутствуют засвеченные фотодетекторы. При увеличении диаметра лазерного луча до 50мм, "провалы" исчезают, значения среднего арифметического, среднеквадратичной и среднеквадратичной ошибки среднего арифметического погрешностей находятся в допустимых пределах, однако по графикам видно, что в некоторых точках абсолютная погрешность превышает значение ±5мм, что является недопустимым по технологическим требованиям, как и "провалы". Таким образом, для стабильного определения пространственных координат мехатронного минищита с точностью ±5мм можно рекомендовать конструкцию фотодетекторных матриц с шагом элементов 10мм и минимальным диаметром лазерного луча задатчика направления 17-20мм.

К мм .........

но

130 120 110 100 90 80 70 60 50 АО 30 20 10

О — -

О 12 3 4 5 6 7 в 9 10

Рисунок 10 - Графики изменения заданной Yin и измеренной Y(OUT) координаты при шаге фотодетекторов 10мм, диаметре лазерного луча 17мм

Для исследования помехоустойчивости системы к внешним засветкам, на фотодетекторы совместно с полезным сигналом в виде импульсов прямоугольной формы подавались сигналы шумов, представляющие собой синусоидальные сигналы разной амплитуды и частоты. Исследование проводилось для фотодетекторов с граничной частотой ЮОкГц и оптимальными режимами работы при мощности падающего оп-

тического излучения 10,6мкВт. Пример одного из полученных графиков, при воздействии на систему помех f 1, f2 в виде модулированного с частотами ЮкГц и ЮОкГц оптического излучения мощностью 4мкВт, представлен на рисунке 11.

Координата Хн-35, 100100011)

Координата Х».в7„ (01010111)

пли/мл Стартовый байт \ Координата /

1 231» 111100111) \YH.2Sq (00011001) / г

Координата Y*«137, (10001001)

ЮЦ

102,6

СтопоСый Байт 170» (10101010)

Ю2А

FDtOUTLK, I

nrawpp

W 'wn-dvvt-

103,2

ЮЗА

1ИП

t.MC

ЮЗА

"Ю2,2 102A 1026 1028 103 103,2 ЮЗА

Рисунок 11 - Графики изменения сигналов в контрольных точках модуля оператора

На рисунке 11 представлены следующие графики: EVM(IN) - изменение восстановленного цифрового сигнала поступающего на вход ЭВМ оператора; TR(IN)_K - изменение напряжения на входе порогового устройства; FD(OUT)JC -изменение напряжения на выходе фотодетектора; FD(IN)_K - изменение мощности лазерного излучения обратного канала совместно с помехами; LASER(OBR) -изменение мощности лазерного излучения обратного канала без помех.

Анализируя полученные графики видно, что при введении в состав системы простейшего полосового фильтра второго порядка приводит к тому, что она становится практически нечувствительной к постоянным засветкам фотодетекторов, при этом значительно снижается воздействие на систему как низко, так и высокочастотных помех. Кроме того из графиков видно, что введение полосового фильтра приводит к дифференцированию исходного сигнала, позволяя избавиться от постоянных составляющих сигнала, что и было ранее предложено.

Необходимо отметить, что чувствительность и помехоустойчивость системы зависит не только от параметров фильтра, но, как и в случае его отсутствия, от параметров фотодетекггоров, предварительного усилителя и настроек порогового элемента.

Анализ графиков также показывает, что система успешно формирует, передаёт и принимает стартовый/стоповый байт, значения координат центра лазерного луча на ножевой и хвостовой матрицах при требуемой скорости обмена информацией.

Создание эффективных оптико-механических устройств контроля и управления движением мехатронными минищитами для строительства минитоннелей, работающих в условиях атмосферы минитоннеля, невозможно без учёта её влияния на свойства лазерного излучения.

Основное влияние атмосферы сводится к снижению мощности оптического излучения, регистрируемой на расстоянии от источника, за счёт эффектов рассеяния и поглощения на твёрдых и жидких частицах находящихся в ней во взвешенном состоянии. Общий коэффициент пропускания когерентного излучения атмосферой минитоннеля можно представить как т^^Л) = гя(Я) • тр(Л).

Для расчёта коэффициента поглощения излучения в атмосфере, с содержанием только паров воды, Эльдером и Стронгом была предложена формула: Тд(А) = t0- kt • IgS, где to, ki - постоянные для рассматриваемого участка спектра, 5 - толщина осаждённой воды. Коэффициент т/Х) учитывает рассеяние на парах воды и твёрдых частицах и определяется по формуле: трР.)=тер.)тх(Х). Коэффициент пропускания излучения rs(kjc достаточной точностью можно определить эмпирической зави-

симость следующего вида: тй(А) = (тАЗ) 1,83 • 0,998(5_17\ где L- путь, проходимый излучением. Коэффициент пропускания монохроматического излучения тш(к) оп-

[о.зз KA\i39( д Г585-3^и ределяется по формуле Бугера: тот(А) = е ' я410"3 %Ussio-s/ , где N-

плотность частиц-рассеивателей, А - площадь поперечного сечения рассеивателей, Я -

длина волны излучения, S„- метеорологическая дальность видимости.

Помимо атмосферы, на регистрируемую фотодетекторами мощность лазерного излучения оказывает влияние его расходимость. Потери мощности можно оце-

AtAr/

нить по формуле: PR = Pm—1, где PR - регистрируемая мощность; Рт- мощность лазерного источника; АТ - эффективная апертура передатчика; AR - эффективная апертура приёмника; Л - длина волны лазерного излучения; I - расстояние между приёмником и источником излучения.

В результате исследования общего коэффициента пропускания, при различных исходных данных, получены графики показывающие, что мощность лазерного излучения, регистрируемая на удалении от источника излучения, снижается по экспоненциальному закону по мере отдаления от него, при этом интенсивность снижения мощности зависит от метеорологической дальности видимости.

В четвёртой главе описана реализация аппаратно-программных средств устройства определения пространственных координат минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита. Выполнен расчёт помехоустойчивости системы для выбора её дополнительных параметров. Проведены лабораторные испытания опытного образца.

Для построения аппаратной части информационно-измерительной системы, помимо выше полученных результатов, проведен выбор метода детектирования

лазерного излучения, способа организации фотодетекгорных структур, выполнен расчёт параметров фотодетекторов и их выбор в соответствии с полученными данными. Исходя из требований, предъявляемых к системе и полученных во время моделирования системы результатов, разработан метод расчёта необходимой размерности фотодетекторных матриц.

Исходя из значения уровня мощности лазерного излучения, необходимого для нормального функционирования фотодетекторов, оказываемого на него влияния атмосферой и требуемого диаметра луча, выполнен расчёт мощности источника лазерного излучения. На основании полученных значений выбран полупроводниковый инжек-ционный лазер с мощностью излучения 10мВт и имеющий возможность осуществления прямой модуляции изменением тока накачки. Для осуществления модуляции излучения с хорошими показателями качества получаемого оптического сигнала выбрана схема управления лазером со специализированным драйвером в основе.

В соответствии с результатами, полученными при исследовании системы на помехоустойчивость, выбран тип полосового фильтра и рассчитаны параметры входящих в его состав компонентов.

Для уточнения номиналов нагрузки фотодетекторов и улучшения рабочих показателей системы выполнены выбор схемы реализации предварительного усилителя и расчёт помехоустойчивости системы. Выбраны остальные компоненты системы и синтезированы принципиальные схемы модулей минищита и оператора.

Основываясь на ранее разработанных алгоритмах функционирования системы, используемых при её моделировании, выбранных компонентах и синтезированных принципиальных схемах разработаны алгоритмы функционирования физического образца, управляющие программы для входящих в состав оборудования микроконтроллеров и построен экспериментальный образец системы (рис. 12).

Рисунок 12 - Стенд для проведения лабораторных испытаний системы определения пространственных координат минищита и обмена информацией: 1 - модуль лазерного приёмо-передатчика оператора; 2 - модуль обработки информации оператора; 3 -модуль определения координат минищита; 4 - лазерный передатчик обратного канала; 5 - ЭВМ оператора; 6 - инклинометрический стол

Лабораторные испытания устройства показали, что оно отвечает всем выдвигавшимся ранее требованиям: определяет координаты центра лазерного луча с погрешностью не более ±5мм, средняя относительная погрешность составила £ = 3,1%; обладает высокой помехоустойчивостью к внешним засветкам; обменивается информацией с ЭВМ оператора со скоростью С=115,2 Кбит/с и стабильно работает на расстоянии 100м.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании теоретических и экспериментальных данных исследований в диссертации дано решение актуальной научно-технической задачи - разработка комплекса принципов, методов и средств, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности управления мехатронным тоннелепроходческим комплексом для строительства минитоннелей благодаря своевременному контролю положения и оперативной реакции на возникающие отклонения движения. В ходе выполнения работы получены следующие результаты, имеющие как научное, так и практическое значение:

1) показано, что существующие информационно - измерительные системы управления работой большого разнообразия тоннелепроходческих комплексов для строительства тоннелей большого и среднего диаметров не отвечают технологическим требованиям, предъявляемым к системам контроля и управления мехатронными тонне-лепроходческими комплексами для сооружения минитоннелей. Сделан вывод о том, что для повышения эффективности и безопасности управления, а также увеличения темпов и качества сооружения минитоннелей необходима разработка принципов, методов и средств контроля и управления процессом сооружения минитоннелей;

2) разработана и исследована математическая модель мехатронного тоннелепроходческого комплекса, учитывающая жёсткость прокладываемой трубы, переменную силу трения внедряемой трубы по породе и позволившая установить закономерности движения тоннелепроходческого минищита;

3) показано, что для успешного ведения мехатронного минищита по проектному направлению необходимо осуществлять постоянный контроль координат двух точек минищита и проводить корректировку его положения с помощью средств маневрирования, либо смещением равнодействующей сил проталкивающих гидродомкратов с помощью промежуточной гидродомкратной установки, при этом необходимо иметь постоянный канал обмена информацией с пультом оператора;

4) разработан метод, позволяющий, контролируя координаты двух точек минищита в локальной системе координат, связанной с лазерным задатчиком направления, определять координаты минищита в базовой системе координат, а также курсовой угол и угол уклона;

5) предложен метод определения координат двух точек минищита относительно лазерного луча задатчика с помощью двух многоэлементных фотодетекторных матриц размерностью пхп, синтезирована структура системы определения пространственных координат минищита относительно лазерного задатчика направления с помощью предложенного метода и осуществления обмена информацией посредством двух лазерных лучей в цифровой форме;

6) разработаны алгоритмы функционирования модулей, входящих в состав информационно-измерительной системы контроля положения минищита, обмена информацией и управления. На основе синтезированной структуры системы и алго-

ритмов её функционирования разработана математическая модель, описывающая поведение системы при различных исходных данных и входных воздействиях;

7) проведено исследование математической модели системы с целью определения её функциональных характеристик, проверки алгоритма функционирования системы, выбора оптимального шага расположения фотодетекторов и минимально допустимого диаметра лазерного луча исходя из предъявляемых к системе требований точности. Также проведено исследование системы на помехоустойчивость при воздействии на неё оптического излучения разных частот и мощностей;

8) рассмотрено влияние атмосферы минитоннеля и расходимости лазерного излучения на его мощность, регистрируемую на расстоянии от источника и поступающую на фотодетекторы системы. Получены графики, характеризующие ослабление излучения при различном состоянии атмосферы минитоннеля;

9) на основании требований, предъявляемых к системе, предложенных методов, структуры системы, проведенных исследованиях и расчётов определены конструктивные особенности и параметры системы, выбраны электронные компоненты её составляющих;

10) разработаны алгоритмы функционирования системы в целом и модулей в частности, разработано программное обеспечение для контроллеров, входящих в состав системы, и обеспечивающее её работу в соответствии с алгоритмами;

11) в соответствии с теоретическими результатами, полученными в ходе проведения исследований, разработана физическая модель устройства, позволившая провести экспериментальные лабораторные исследования системы с целью проверки теоретических выкладок. В результате испытаний установлено, что система полностью отвечает всем предъявляемым к ней требованиям по точности определения координат, скорости обмена информацией, помехоустойчивости и дальности функционирования.

В результате проделанной работы установлено, что разработанная система может применяться для определения пространственных координат многих подвижных объектов с требуемой точностью и динамическим диапазоном измерения координат, а также обмениваться информацией с установленным на них оборудованием. Устройство может применяться как при сооружении минитоннелей, так и при сооружении тоннелей большого диаметра. Помимо этого устройство можно использовать в качестве стационарной оптической линии обмена информацией со скоростью 115,2 Кбит/с на расстоянии до 1км.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Ваколюк АЛ. Информационно-управляющая система мобильного мехатронного комплекса /А.Я. Ваколюк, С.Б. Притчин, Д.М. Недлин // Новые технологии управления движением технических объектов : сб. статей по материалам 7-й Междунар. науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 15-17 дек. 2004 г. - Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2004. - Вып. 5. - С. 33-36. (0,15п.л./0,11п.л.).

2. Ваколюк АЛ. Лазерная система контроля положения мобильного мехатронного комплекса в пространстве /АЛ. Ваколюк, С.Б. Притчин, Д.М. Недлин // Студенческая научная весна - 2005: сб. науч. тр. аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2005. - С. 191-193. (0,14п.л./0,1пл.).

3. Ваколюк А.Я. Лазерная система управления движением мобильного робототехнического комплекса /А.Я. Ваколюк, Д.М. Недлин // Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы: материалы первой всерос. науч. конф. студентов и аспирантов (с междунар. участием), г.Таганрог, 13-14 окт. 2005 г. - Таганрог, 2005. - С. 32-35. (0,16п.л./0,11пл.).

4. Ваколюк АЛ. Устройство определения пространственных координат мобильных мехатронных объектов /А.Я. Ваколюк, С.Б. Притчин, Д.М. Недлин // Научно-техническое творчество студентов вузов: материалы Всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов вузов "Эврика-2005", г. Новочеркасск, 5-6 дек. 2005 г. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. - Ч. 2. - С. 270-272. (0,15п.л./0,Ип.л.).

5. Ваколюк АЛ. Кинематическая модель избирательного рабочего органа проходческого щита /А.Я. Ваколюк, С.Б. Притчин, Д.М. Недлин // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-19: сб. тр. XIX Междунар. науч. конф. - Воронеж, 2006. - Т. 5. - С. 131-133. (0,12п.л./0,08п.л.).

6. Ваколюк А.Я. Мехатронная система контроля положения проходческого щита для строительства минитоннелей /А.Я. Ваколюк // Сборник статей и сообщений по материалам 55-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов университета. - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2006. -С. 8-10. (0,16п.л.).

7. Ваколюк АЛ. Мехатронная система управления движением робототехнического комплекса для строительства минитоннелей /А.Я. Ваколюк, Г.Л. Дмитриченко // сб. конкурс. работ Всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов высш. учеб. заведений "Эврика-2006", г. Новочеркасск, 20-26 нояб. 2006 г. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2006. - С. 249-251. (0,13п.л./0,09п.л.).

8. Ваколюк А.Я. Мехатронная система управления движением робототехнического комплекса для строительства минитоннелей /А.Я. Ваколюк // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2007. - Спец. вып.: Проблемы мехатроники - 2006. - С. 28-30. (0,28п.л.).

9. Ваколюк А.Я. Универсальный микропроцессорный модуль на основе микроконтроллера ATMEGA128 /А.Я. Ваколюк, Д.М. Недлин, А.Р. Юсупов // Студенческая научная весна - 2007 : сб. науч. тр. аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2007. - С. 249 - 250. (0,09п.л./0,06п.л.).

10. Ваколюк АЛ. Лазерное устройство определения пространственных координат щита для строительства минитоннелей и обмена информацией с ЭВМ верхнего уровня /А.Я. Ваколюк // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2008. - Спец. вып.: Проблемы мехатроники-2008. - С. 55-57. (0,29п.л.).

11. Ваколюк АЛ. Модуляция оптического излучения при формировании оптического открытого канала связи /АЛ. Ваколюк // Результаты исследований - 2010: материалы 59-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2010. - С. 35-37. (0,13пл.).

12. Ваколюк А.Я. Фотоэлектронная система управления движением мехатронного мини-щитового проходческого комплекса /А.Я. Ваколюк, Н.А. Глебов // 3-я мультиконфе-ренция по проблемам управления: материалы 7-й науч.-техн. конф. "Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), 12-14 окт. 2010 г., г. Санкт-Петербург. - СПб., 2010. - С. 132-135. (0,23п.л./0,16п.л.).

13. Ваколюк АЛ. Эргатическая лазерная система управления мобильными мехатронными объектами /А.Я. Ваколюк, Н.А. Глебов // Перспективные системы и задачи управления: материалы 6-й Всерос. науч. - практ. конф. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011,- С. 403-407. (0,53п.л./0,38п.л.).

14. Патент №2360111, РФ, МПК Е21С 35/24. Система автоматического управления рабочим органом избирательного действия горнопроходческого комплекса /Ваколюк А.Я, Недлин Д.М., Притчин С.Б., Глебов Н.А. -Заявл. 23.03.2007, опубл. 27.09.2008, Бюл. № 18.

15. Патент №2405937 РФ, МПК E21D 9/093, Е21С 35/24. Система контроля положения и управления движением минищита для строительства мини-тоннелей / Ваколюк А.Я, Глебов Н.А., Надтока В.И., Надтока И.И. и др. - Заявл. 03.08.2009, опубл. 10.12.2010, Бюл. № 34.

Ваколюк Александр Ярославич

ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ МЕХАТРОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МИНИТОННЕЛЕЙ

Автореферат

Подписано в печать: 30.05.2011. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,5. Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 100 экз. Заказ №031-0511. Отпечатано в Издательстве «НОК» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 155 а

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Ваколюк, Александр Ярославич

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

1 Критический обзор существующих устройств управления тоннеле- 12 проходческими комплексами для строительства минитоннелей

1.1 Анализ тоннелепроходческих комплексов и оборудования для со- 12 оружения минитоннелей

1.2 Обзор отечественных и зарубежных систем управления тоннелепро- 20 ходческими машинами

1.3 Принципы построения систем контроля пространственного положе- 28 ния тоннелепроходческого щита с помощью лазерного луча

1А Принципы построения систем обмена информацией посредством ла- 29 зерного луча

1.5 Требования, предъявляемые к лазерным системам управления тонне- 34 лепроходческими машинами

1.6 Актуальность создания лазерных систем обмена информацией и 36 управления мехатронными тоннелепроходческими минищитами и задачи исследований

1.7 Результаты и выводы по главе \

2 Мехатронный комплекс для строительства минитоннелей как объ- 42 ект автоматического управления нространственным движением

2.1 Математическая модель тоннелепроходческого минищита как объекта 42 управления движением в горизонтальной и вертикальной плоскостях

2.2 Метод определения координат минищита и управления его движением

2.3 Принцип построения лазерной системы контроля пространственного 64 положения минищита, обмена информацией и управления

2.4 Результаты и выводы по главе

3 Алгоритм функционирования и математическое моделирование 74 системы контроля положения минищита, обмена информацией между пультом<оператора и оборудованием минищита и управления

3.1 Алгоритм функционирования системы контроля положения минищи- 74 та, обмена информацией и управления

3.2 Разработка и исследование математической модели системы опреде- 79 ления пространственных координат минищита и обмена информацией посредством лазерного излучения

3.3 Исследование влияния атмосферы минитоннеля на распространение 113 лазерного излучения в ней

3.4 Исследование потерь мощности лазерного луча за счёт его расходи- 120 мости

3.5 Результаты и выводы по главе

4 Расчёт, построение и экспериментальное исследование системы контроля пространственного положения минищита, обмена информацией и управления

4.1 Выбор метода фотодетектирования оптического излучения, парамет- 124 ров фотодетекторных матриц и типа фотодетектора

4.2 Выбор типа источника лазерного излучения и расчёт его мощности

4.3 Модуляция оптического излучения и выбор схемотехнического ре- 132 шения для её осуществления

4.4 Расчёт параметров фильтра и выбор компонентов

4.5 Расчёт порогового устройства и выбор вспомогательных элементов 139 системы

4.6 Анализ влияние шумов на помехоустойчивость оптической системы

4.7 Выбор схемы предварительного усилителя, расчёт её коэффициента 145 передачи и помехоустойчивости системы

4.8 Разработка алгоритма и программы функционирования аппаратуры 150 контроля положения, обмена информацией и управления

4.9 Физическая модель устройства и её исследование

4.10 Результаты и выводы по главе

Введение 2011 год, диссертация по машиностроению и машиноведению, Ваколюк, Александр Ярославич

С учетом 60-80% изношенности подземных коммуникаций, а также, принимая во внимание потребность в строительстве новых коммуникаций, отечественный и зарубежный опыт, следует считать, что самым перспективным- оборудованием для сооружения минитоннелей в настоящее время- являются различные тоннелепроходческие и минищитовые комплексы в общем случае пред1 ставляющие собой робототехнические и мехатронные комплексы.

Большой вклад в развитие теоретических положений робототехники и мехатроники внесли учёные И.М. Макаров, К.В. Фролов, Е.П. Попов, B.C. Кулешов, A.C. Ющенко, Е.И. Юревич, Ю.В. Подураев, А.К. Тугенгольд, A.B. Тимофеев, В.М. Лохин, М.П. Романов, C.B. Манько, В.Ф. Казмиренко, И.А. Каляев, Ю.В.Илюхин, С.Ф. Бурдаков, A.B. Павленко и другие. Значительный вклад в развитие и повышение эффективности функционирования мехатронного горного технологического и тоннелепроходческого щитового оборудования внесли учёные: А.И. Берон, В.А. Бреннер, Г.М. Водяник, А.Н. Дровников, В.Т. Заго-роднюк, H.A. Глебов, Д.Я. Паршин, Л.И. Кантович, Н.Г. Картавый, М.Г. Крапивин, В.Г. Михайлов, Е.З. Позин, М.М: Протодьяконов, М.И. Слободкин; В.И. Солод, Н.И. Сысоев, A.M. Терпигорев; Г.Ш. Хазанович, Ю.М. Ляшенко, В.Г. Афанасьев и другие.

За.рубежом и в нашей стране имеется множество различных видов мини-щитов и тоннелепроходческих комплексов для строительства минитоннелей, однако применение многих из них в современной плотной городской застройке затруднительно или вовсе невозможно из-за их недостаточной автоматизации и информатизации. В связи с этим одним из важнейших направлений повышения эффективности и гибкости функционирования минищитовых комплексов является оснащение их мехатронными устройствами автоматического управления движением относительно проектного направления проходки по прямолинейным и криволинейным траекториям; включающих в себя как устройства задания' направления, контроля положения, обмена информацией, так и устройства маневрирования комплексом в грунте.

В настоящее время разработаны и применяются множество различных систем контроля положения; дистанционного управления тоннелепроходчески-ми комплексами посредством кабельных, радио и оптических каналов передачи информации, однако каждая-из них обладает рядом недостатков. Телеуправление по кабельным и радиоканалам связи ограничено условиями эксплуатации этих систем, в то время как оптические разработаны в основном для комплексов больших диаметров и имеют свою специфику.

По данным "Российского общества по внедрению бестраншейных технологий" (РОБТ), 99% всех подземных коммуникаций в России прокладываются в скважинах диаметром до 900мм [1], что не позволяет оператору и обслуживающему персоналу находиться в забое, тем самым накладывая определённые требования к системам контроля и управления.

Таким образом, задача разработки принципов, методов и средств, позволяющих повысить эффективность, гибкость и безопасность управления мехатрон-ным комплексом для сооружения минитоннелей является весьма актуальной.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ(НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГТУ(НПИ) «Теория и принципы создания робототех-нических и мехатронных систем и комплексов» и соответствует госбюджетным темам П.3.837 «Разработка принципов и средств автоматизации и роботизации производства на основе мехатронных технологий и систем» (2004,-2008г.г.), П.3.865 «Разработка теории и принципов построения интеллектуальных мехатронных и робототехнических систем» (2009-2013г.г.), а также темам НИР по заданию министерства образования и науки на проведение научных исследований 1.11.05Ф «Разработка научных основ создания мехатронных технологий горных, нефтегазодобывающих и строительных производств (2005-2009г.г.)» и 1.9.10Ф «Разработка теории и принципов построения мехатронных и робототехнических систем горных, нефте-газодобывающих и строительных производств» (2010-2012г.г.).

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1) математическая модель движения в пространстве мехатронного тонне-лепроходческого комплекса для строительства минитоннелей, позволяющая путём анализа её характеристик методами компьютерного моделирования, установить закономерности движения тоннелепроходческого минищита, взаимодействие комплекса с вмещающими породами и параметры, которые необходимо контролировать при управлении движением минищита;

2) метод дистанционного определения пространственного положения минищита в базовой системе координат и управления его движением, основанный на определении координат двух точек минищита в локальной системе координат, связанной с лазерным задатчиком направления, определении угла крена и пройденного пути с помощью набора датчиков, определении курсового угла, угла уклона и обмена полуденной информацией между пультом. оператора' и оборудованием минищита посредством лазерного излучения; :

3) метод расчёта лазерной? информационно-измерительной системы, основанный на анализе математической модели системы определения* пространственных координат минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита, заключающийся в использовании компьютерной модели устройства, позволяющей задавая- различные исходные данные анализировать её работоспособность и выбирать оптимальные параметры системы для достижения требуемых показателей точности определения координат, быстродействия системы и другое.

4) обоснование структуры устройства,, позволяющего определять пространственное положение мехатронного минищита, обмениваться информацией с пультом-оператора и управлять процессом сооружения минитоннеля в автоматизированном и автоматическом режимах.

Научная новизна полученных в диссертации результатов^ состоит в следующем:

4) структура устройства, отличающаяся связями, наличием модулей приёма/передачи информации посредством лазерного излучения и перепрограммируемых блоков обработки информации, позволяющих организовывать различные режимы функционирования оборудования с возможностью реализации интеллектуального управления-им, а также возможностью подключения дополнительных датчиков состояния технологического оборудования тоннелепроходче-ского комплекса.

Объекты исследования - мехатронный тоннелепроходческий комплекс для строительства минитоннелей, информационно-управляющая система опреI деления пространственных координат мехатронного тоннелепроходческого минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита.

Методы исследований. Для решения, поставленных задач использованы методы мехатроники, робототехники, построения микропроцессорных систем, математического моделирования, аналитической геометрии, кинематического и динамического анализа, а также прикладного программирования. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные - на разработанном образце в лабораторных условиях.

Достоверность и обоснованность проведенных научных исследований обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, робототехники, мехатроники; методов теоретической механики; корректных допущений при составлении математических моделей; применением статистических методов планирования и обработки экспериментов; подтверждается совпадением теоретических положений и результатов компьютерного исследования с результатами экспериментальных испытаний созданного на их основе опытного образца лазерной информационно-измерительной системы определения пространственных координат мехатронного тоннелепроходческого ми-нищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием ми-нищита; апробацией полученных научных результатов на международных и всероссийских конференциях и семинарах.

Практическое значение полученных в работе результатов заключается в следующем:

- разработанные математические модели мехатронного тоннелепроходческого комплекса и лазерной системы определения пространственных,координат минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита позволяют выбирать оптимальные конструктивные параметры информационно-измерительной системы для достижения требуемых технологических показателей точности определения координат, дальности действия, скорости обмена информацией и др.;

- повышение безопасности и эффективности управления мехатронным тоннелепроходческим комплексом для строительства минитоннелей за счёт оснащения комплекса лазерной системой определения пространственных координат минищита и обмена информацией между пультом оператора и оборудованием минищита, предоставляющей возможность оперативного контроля состояния технологического оборудования комплекса и дистанционного управления им.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: 7-й международной конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г. Новочеркасск, 2004г.); научной конференции студентов и аспирантов ЮРГТУ(НПИ) «Студенческая научная весна - 2005, 2007» (г. Новочеркасск, 2005, 2007г.г.); первой всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (с международным участием) «Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы» (г. Таганрог, 2005г.); всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика-2005», «Эврика-2006» (г. Новочеркасск, 2005, 2006г.г.); XIX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 19» (г.Воронеж, 2006г.); 55-ой и 59-ой научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов университета ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, 2006, 2010г.г.); международном научно-практическом коллоквиуме «Проблемы мехатроники — 2006, 2008» (г. Новочеркасск, 2006, 2008г.г.); 7-й научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ-2010) (г. Санкт-Петербург, 2010г.); международной научно-технической конференции «Искусственный интеллект. Интеллектуальные системы - 2010»

ИИ-2010) (п. Кацивели, Украина, 2010г.); международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» в рамках международного салона «Комплексная безопасность» (г. Москва, 2010 г.); шестой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (г. Таганрог, 2011г.).

Заключение диссертация на тему "Лазерная система управления движением мехатронного комплекса для строительства минитоннелей"

Основные результаты главы заключаются в следующем:

- выбран метод фотодетектирования оптического излучения, разработан метод расчёта размерности фотодетекторных матриц с учётом шага расположения фотодетекторов, расстояния между матрицами и требуемым регистрируемым отклонением минищита от проектной оси. Выбран способ организации многоэлементньтх фотодетекторных структур с последующим расчётом и подбором типа фотодетектора;

- исходя из технологических и конструктивных требований, осуществлён выбор типа источника когерентного лазерного излучения и расчёт его мощности для стабильного функционирования системы на расстоянии 100м при влиянии на мощность луча лазера его расходимости и атмосферы минитоннеля;

- выбраны способ осуществления модуляции оптического излучения полупроводникового инжекционного лазера и схемотехническое решение для его осуществления с максимальными показателями качества и минимальными затратами электронных компонентов;

- произведён выбор схемотехнического решения реализации полосового фильтра и выполнен расчет его компонентов для достижения требуемых характеристик. Выполнено исследование характеристик рассчитанного полосового фильтра с помощью специализированного программного обеспечения и по результатам исследования выполнена корректировка параметров компонентов фильтра для достижения требуемых характеристик;

- на основе технологических требований и проделанных исследованиях выполнен расчёт параметров нелинейного элемента с петлёй гистерезиса, подобраны электронные компоненты, входящие в состав системы, и позволяющие реализовать устройство определения координат и обмена информацией с требуемыми параметрами и свойствами;

- проведён анализ влияния шумов различной природы, возникающих в электронном* устройстве при его функционировании, на помехоустойчивость системы и позволяющий выбрать параметры системы с учётом полученных значений. На основе проделанных исследований и выбранных компонентов системы разработаны принципиальные схемы модулей минищита и оператора;

- на основе укрупненных алгоритмов функционирования системы, используемых при её исследовании, разработаны детальные алгоритмы функционирования физической модели системы контроля положения и обмена информацией. По данным алгоритмам для выбранных микроконтроллеров с помощью специализированного программного обеспечения разработаны управляющие программы;

- разработана физическая модель системы определения пространственных координат минищита и обмена информацией, проведены её лабораторные исследования показавшие функционирование устройства в соответствии с требуемым алгоритмом и с параметрами, удовлетворяющими всем предъявляемым к системе требованиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных данных исследований в диссертации дано решение актуальной научно-технической задачи - разработка комплекса принципов, методов и средств, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности управления мехатронным тоннелепроходческим комплексом для строительства минитоннелей благодаря своевременному контролю положения и; оперативной реакции на возникающие отклонения движения. Выходе выполнения-работы.получены следующие результаты, имеющие как научное, так, и практическое значение:

1) показано, что существующие информационно - измерительные системы управления работой большого разнообразия тоннелепроходческих комплексов для строительства тоннелей большого и среднего диаметров не отвечают технологическим требованиям, предъявляемым к системам, контроля и управления меха-тронными тоннелепроходческими комплексами для сооружения, минитоннелей. Сделан вывод о том, что для повышения эффективности и безопасности управления, а также увеличения* темпов и качества сооружения минитоннелей необходима разработка принципов, методов и средств контроля и управления процессом сооружения минитоннелей;

2) разработана и исследована математическая модель мехатронного тон нелепроходческого комплекса, учитывающая жёсткость прокладываемой трубы, переменную силу трения внедряемой трубы по породе и позволившая установить закономерности движения тоннелепроходческого минищита;

6) разработаны алгоритмы функционирования модулей, входящих в состав информационно-измерительной' системьь контроля положения минищита, обмена информацией и управления. На основе синтезированной структуры системы и алгоритмов её функционирования разработана математическая модель, описывающая поведение системы при различных исходных данных и входных воздействиях;

В результате проделанной работы установлено, что разработанная система может применяться для определения пространственных координат многих подвижных объектов с требуемой точностью и динамическим диапазоном измерения координат, а также обмениваться информацией с установленным на них оборудованием. Устройство может применяться как при сооружении мини-тоннелей, так и при сооружении тоннелей большого диаметра. Помимо этого устройство можно использовать в качестве стационарной оптической линии обмена информацией со скоростью 115,2 Кбит/с на расстоянии до 1км.

Библиография Ваколюк, Александр Ярославич, диссертация по теме Роботы, мехатроника и робототехнические системы

1. Бестраншейная прокладка коммуникаций с применением микрощитов Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.sibdom.ru/article.php?id=122

2. Клорикьян В.Х. Горнопроходческие щиты и комплексы / В.Х. Клорикьян,

3. B.А. Ходош. М. : Недра, 1977. - 326 с.

4. Васильев С.Г. Закрытая прокладка коммуникаций : учеб. пособие для вузов /

5. C.Г. Васильев. Львов : Выща школа, 1974. - 132 с.

6. Подураев Ю:В. Мехатроника: основы, методы, применение : учеб. пособие для студентов вузов / Ю.В. Подураев. М. : Машиностроение, 2006. - 256 с.

7. А.с. 126622 СССР, МКИ G01C9/06, G05G15/04*. Устройство для управления заданным курсом проходческого комбайна / В.Г. Унгефуг, Г.Е. Иванченко,

8. B.И. Стерликов. № 633534 ; заявл. 11.07.1959 ; опубл. 01.01.1960.

9. Цукерман С.Т. Управление машинами при помощи оптического луча /

10. C.Т. Цукерман, А.С. Гридин. Л.: «Машиностроение», 1969. - 203 с.

11. Мюллер Ф. Телеуправление / Ф. Мюллер. -М. : Иностр. лит., 1957. 312 с.

12. Некоторые применения газовых лазеров / В.П. Беляев, И.И. Девяткин, Е.Ф. Мартынов, А.С. Фёдоров. М. : Изд-во «Знание», 1970.-48 с.

13. Снаговский Е.С. Оптическая стабилизация курса' проходческих машин // Уголь. 1967. - №2. - С. 16-19

14. Применение лазеров в конструкциях // Excavator, 1969, jan.

15. Луч лазера направляет машину для проходки-тоннелей // Bergbau. 1968. -№7. -С. 20-22

16. Загороднюк В.Т. Испытания системы автоматического контроля с использованием луча лазера для направленного движения машин / В.Т. Загороднюк, Н.А. Глебов, В. Шабельников // Горный журнал. 1969. - № 10. - С. 73-74.

17. Лазерная система для контроля за направлением движения проходческих комбайнов / H.A. Глебов, В.Т. Загороднюк, H.H. Круглов и др. // Горные машины и автоматика : реф. сб. / ЦНИЭИуголь. М., 1974. - Вып. 4(169). - С. 8-10

18. Глебов H.A. Автоматизированная система управления движением тоннелепро-ходческих комплексов / Глебов H.A., Притчин С.Б. //Инф. лист. Ростовский ЦНТИ,№ 618-95,1995.

19. Глебов H.A. Элементы мехатроники: учеб. пособие / H.A. Глебов, А.Г. Булгаков, Д.П. Гераськин ; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск : ЮРГТУ, 2006. - 128 с.

20. Глебов H.A. Система управления движением мехатронного тоннелепроходческого комплекса // Мехатроника. 2003. - № 8. - С. 19-23.

21. Петрухин В.П. Исследование и разработка оптико-механических устройств лазерных систем управления горнопроходческими машинами : дис. канд. техн. наук / Петрухин Владимир Петрович. Новочеркасск, 1974. - 209 с.

22. Милинкис Б. Атмосферная лазерная связь / Б. Милинкис, В. Петров: Электронный ресурс. // Информост. Радиоэлектроника и Телекоммуникации. 2001. - № 5(18). Режим доступа: http://laseritc.ru/files/files/MilinksPetrovAtmLasSv.pdf

23. Загороднюк В.Т. Лазерная оперативная связь с промышленными объектами / В.Т. Загороднюк, ДЛ. Паршин. М. : Связь, 1979. - 104 с.

24. Лысиков Б.А. Подземная инфраструктура городов (обзор зарубежного строительства) : монография / Б.А. Лысиков, Л.'Л. Кауфман. — Донецк : «Норд-пресс», 2004. 267 с.

25. Интеллектуальные роботы : учеб. пособие для вузов / И.А. Каляев, В.М. Лохин, И.М. Макаров и др. ; под общ. ред. Е.И. Юревича. М. : Машиностроение, 2007. - 360 с.

26. Проблемы построения человеко-машинного интерфейса для средств экстремальной робототехники / И.М. Макаров, В.М. Лохин, C.B. Манько и др. // Экстремальная робототехника : материалы XII науч.-техн. конф. СПб. : Изд-во СПбГТУ, 2002. - С. 10-16

27. Ющенко A.C. Система поддержки решений оператора интеллектуального робота / A.C. Ющенко, Г.Н. Сакарян // Экстремальная робототехника : материалы XII науч.-техн. конф. СПб. : Изд-во СПбГТУ, 2002. - С. 10-16

28. Ющенко A.C. Нечеткое представление внешнего мира в эргатических робото-технических системах / A.C. Ющенко // Экстремальная робототехника : материалы XIV науч.-техн. конф. ЦНИИ РТК. СПб. : Изд-во СПбГТУ, 2003. - С. 55-62.

29. Основы импульсной лазерной локации : учеб. пособие для вузов / В.И. Козинцев, M.JI. Белов, В.М. Орлов и др. ; под ред. В.Н. Рождествина. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 512 с. - (Электроника).

30. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика): Технический учебник-справочник / А.П. Рыбаков. М. : ПрессБюро № 1, 2005. - 304 с.

31. Гетопанов В.Н. Горные и транспортные машины и комплексы : учебник для вузов / В. Н. Гетопанов, Н. С. Гудилин, JI. И. Чугреев. М. : Недра, 1991. - 304 с.

32. Глебов H.A. Автоматическое управление технологическими процессами подземных работ : учеб. пособие / Н. А. Глебов ; Новочерк. политехи, ин-т. -Новочеркасск : НПИ, 1984. 88 с.

33. Загороднюк В.Т. Автоматизация самоходных бурильных установок / В.Т. Загороднюк. Ростов н/Д : Изд-во РГУ, 1975. - 205 с.

34. Игнатов А.Н. Оптоэлектронные приборы и устройства : учеб. пособие /

35. A.Н. Игнатов. М. : Эко-Трендз, 2006. - 272 с.

36. Кузьминов А.Ю. Интерфейс RS232. Связь между компьютером и микроконтроллером / А.Ю. Кузьминов. М. : Радио и связь, 2004. - 168 с.

37. Водовозов A.M. Элементы систем автоматики гучеб. пособие / A.M. Водовозов. 2-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2008. - 224 с.

38. Цифровая телефония : пер. с англ. / Под ред. А.Н. Берлина, Ю.Н. Чернышо-ва. М.: Эко-Трендз, 2004. - 640 с.

39. Зуев В.Е. Современные проблемы атмосферной оптики / В.Е. Зуев,

40. B.C. Комаров. Л. : Гидрометеоиздат, 1986. - Т. 1 : Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. - 264 с.

41. Распространение лазерного излучения в атмосфере Земли / Г.А. Андреев, В.П. Бисярин, A.B. Соколов, Г.М. Стрелков // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНИТИ, 1977. - Т. 2. - С. 5-148.

42. Крикунов Л.З. Системы информации с ОКГ / Л.З. Крикунов. — Киев : «Техника», 1970.

43. Якушенков Ю.Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов : учебник для студентов вузов / Ю.Г. Якушенков. — 4-е изд., перераб. и доп. — М. : Логос, 1999.-480 с.

44. Источники и приёмники излучения : учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Полыциков. СПб. : Политехника, 1991. - 240 с.

45. Оптоэлектронные элементы и устройства / А.К. Гребнев, В.Н. Гридин, В.П. Дмитриев ; под. ред. Ю.В. Гуляева. -М.: Радио и связь, 1998. 336 с.

46. Дмитриев A.JI. Оптические системы передачи информации : учебное пособие.- СПб : СПбГУИТМО, 2007. 96 с.

47. Гауэр Дж. Оптические системы передачи : пер. с англ. / Дж. Гауэр. М. : Радио и связь, 1989. - 501 с.

48. Шевцов Э.А. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем; передачи / Э.А. Шевцов, М.Е. Белкин. — М. : Радио и связь, 1992. 230 с.

49. Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы-передачи, измерения / А.Б. Иванов; М. : SYRUS SYSTEMS, 1999. - 671 с.

50. Моршев С.К. Когерентная волоконно-оптическая связь / С.К. Моршев, А.В. Францессон // Квантовая электроника. 1985. - № 9. - С. 1787-1804.

51. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи / Р. Фриман. М. : Техносфера, 2003. - 440 с.

52. Джексон Р.Г. Новейшие датчики : пер: с англ / Р.Г. Джексон. Москва : Техносфера, 2007.-384 с.

53. Микроэлектронные фотоприёмные устройства / М.Д. Аксененко, M.JI. Бараночников, О.В. Смолин. М. : Энергоатомиздат, 1984. — 208 с.

54. Близнюк В.В. Квантовые источники излучения / В.В. Близнюк, С.М.Гвоздев.- М. : «ВИГМА», 2006. 400 с.

55. Грибовский В.П. Полупроводниковые лазеры / В:П. Грибовский. Минск : Университетское, 1988. - 304 с.

56. Ханспенджер Р. Интегральная оптика / Р. Ханспенджер. М. : Мир, 1985. — 379 с.

57. Ярив А. Введение в оптическую электронику : пер. с англ / А. Ярив. М. : Высш.шк., 1983. - 398 с.

58. Ahland A. Modelling and Design of Electroab sorhtion Modulators on GalnAsP / A. Ahland, D. Schulz, E. Voges // Int. J. Electron. Commun. (AEU). 1998. -№ 5. - C. 322-328

59. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник : пер. с англ / Дж. Фрай-ден. Москва : Техносфера, 2006. - 592 с.

60. Скляров O.K. Современные волоконно-оптические системы передачи. Аппаратура и элементы / O.K. Скляров. М. : Солон-Р, 2001. — 237 с.

61. Jensen Т. 10 Gbit's Optical transmission technology / T. Jensen, В. Skjoldstrup // Teleteknik. 1995. - № 6. - С. 65-78

62. Скляров O.K. Современные волоконно-оптические системы передачи. Аппаратура и элементы. М.: Солон-Р, 2001. — 237 с.

63. Гребнев А.К. Оптоэлектронные элементы и устройства / А.К. Гребнев, В'.Н. Гридин, В.П. Дмитриев. М. : Радио и связь, 1998. — 336 с.

64. Оптоэлектронные модули фирмы Ericsson. M. : Додэка, 2000. - 32 с.

65. Справочник по активным фильтрам : nepi с англ. / Д. Джонсон, Дж. Джонсон, F. Мур. М. : Энергоатомиздат, 1993. - 128 с.

66. Пейтон А.Дж. Аналоговая электроника на операционных усилителях /

67. A.Дж. Пейтон, В. Волш. М. : БИНОМ, 1994. - 352 с.

68. Волович Г. Однополярное питание операционных усилителей / Г. Волович // Схемотехника. 2002. - № 4 (59). - С. 10.

69. Титце У. Полупроводниковая схемотехника : справочное руководство : пер. с нем / У. Титце, К. Шенк. М'. : Мир, 1982. - 512 с.

70. Abramowitz M., Stegun I.A. Handbook of MathematicalFunctions, Dover (1965).

71. Теория.электрической связи : учебник для вузов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский,

72. B.И.Коржик, М.В. Назаров ; под ред. Д.Д. Кловского. — М. : Радио и связь, 1999.-432 с.

73. Хоровиц П. Искусство схемотехники : пер. с англ. / П. Хоровиц, У. Хилл. -5-е изд., перераб. М. : Мир, 1998. - 704 с.

Похожие работы

Машиностроение и машиноведение
05.02.00