автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка системы автоматической компенсации силовых и моментных воздействий на подводный аппарат со стороны работающего манипулятора

РГ6 О А на правах рукописи

КОВАЛЬ Елена Владимировна

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ СИЛОВЫХ И МОМЕНТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ СО СТОРОНЫ РАБОТАЮЩЕГО МАНИПУЛЯТОРА

Специальность 05.13. 07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 1997

Работа выполнена на кафедре "Автоматизация и управление техническими системами" Дальневосточного государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ФИЛАРЕТОВ В.Ф.

Офицальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ИЛЛАРИОНОВ Г.Ю.

кандидат технических наук, доцент АЛЕКСЕЕВ Ю.К.

Ведущее предприятие: Дальневосточная государственная морская

академия, г. Владивосток

Защита состоится 1997 г. в /£ часов на заседании

диссертационного совета К 064.01.08 в Дальневосточном государственном техническом университете по адресу:

6900600, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10, ауд. А302.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент Ю.М. Горбенко

Актуальность темы- В связи с активным освоением океана и особенно его шельфовой зоны большое внимание в мире и в России в частности уделяется созданию технических средств, способных выполнять в водной среде различные технические операциии. Особенно это важно на больших глубинах, недоступных даже для хорошо защищенных водолазов.

К таким техническим средствам прежде всего относятся автономные и телеуправляемые подводные аппараты (ПА), предназначенные для выполнения аварийно-спасательных и поисковых работ, доя обследования затонувших объектов и инспектирования технического состояния подводных коммуникаций и сооружений, для взятия проб геологических пород, воды, растительности, биологических организмов и т.д. Но особо важную и актуальную роль ифают ПА, предназначенные для выполнения разнообразных подводных технических операций и работ. Очевидно, что такие аппараты должны оснащаться манипуляторами, имеющими большое число степеней подвижности.

Проблемам разработки и развития ПА посвящены многочисленные работы российских и зарубежных авторов. Усилиями М.Д. Агеева, Г.Ю. Илларионова, B.C. Ястребова, Ф.М. Кулакова, E.H. Пантова, В.А. Челышева, В.В. Костенко, Ю.К. Алексеева и др., а также Ph. Coiffet, T.I. Fossen, T.J. Tarn и D.R. Yoerger в настоящее время уже решены многие важные задачи проектирования ПА. Однако существует еще множество проблем, требующих дальнейшего решения и развития. Не решены также и многие задачи качественного управления подводными манипуляторами, обусловленные наличием вязкой окружающей среды.

В частности в настоящее время остро стоит проблема качественного и быстрого выполнения различных работ с помощью подводных манипуляторов, установленных как на обитаемых, так и на необитаемых (телеуправляемых) ПА. Обычно перед выполнением работ ПА осуществляет посадку на грунт. Однако в этом случае происходит взмучивание природных слоев и до начала выполнения самих работ должно пройти достаточно большое время, пока прозрачность воды, окружающей ПА, не восстановится. Кроме того, во многих случаях посадку ПА на грунт выполнить не удается ввиду сложностей донного рельефа, наличия растительности или необходимости выполнения работ на достаточно большом расстоянии от дна. В результате появляется задача выполнения манипуляционных операций в режиме зависания ПА над или вблизи объекта работ. Однако в этом случае при перемещении манипулятора в водной среде (особенно с достаточно большими скоростями) возникают значительные силовые и моментные воздействия на ПА со стороны манипулятора. Это приводит к

незапланированному перемещению ПА относительно исходного положения. В данной ситуации оператору приходится осуществлять одновременное управление и ПА, и манипулятором. Это значительно усложняет и удлиняет время выполнения требуемых работ, существенно снижает качество их выполнения, а также приводит к большой утомляемости оператора.

В результате возникает задача создания такой системы, которая автоматически (независимо от оператора) обеспечивала бы стабилизацию ПА в заданной точке пространства независимо от любых движений подводного манипулятора, установленного на ПА.

Цель работы. Целью диссертации является разработка системы автоматической компенсации силовых и моментных воздействий на ПА со стороны работающего манипулятора в режиме свободного зависания этого аппарата вблизи объекта выполнения работ.

Задачу компенсации предлагается решать с помощью движителей, установленных соответствующим способом на ПА, на основе информации о силовых воздействиях работающего манипулятора на этот ПА.

Новые научные результаты. Для достижения поставленной цели в диссертации были получены следующие новые результаты.

Разработанный новый подход к решению обратной задачи кинематики (ОЗК) позволил получить компактные аналитические выражения всех обобщенных координат шестистепенного манипулятора в функции положения и ориентации схвата или рабочего органа этого манипулятора в абсолютной системе координат. Указанные выражения (по сравнению с известными) содержат наименьшее количество математических операций, что позволило создать оригинальное техническое устройство, способное в реальном масштабе времени (РМВ) идентифицировать все обобщенные координаты с помощью аналоговых средств.

Предложенный алгоритм решения обратной задачи динамики (ОЗД) для манипуляторов с учетом особенностей вязкой окружающей среды, основанной на разработках В.Ф. Филаретова и А.И. Корзуна для промышленных роботов, позволил получить новые рекуррентные соотношения для быстрого (в РМВ) вычисления векторов силы и момента, действующих на ПА в процессе работы манипулятора. Как оказалось в результате проведенного исследования, полученные компактные рекуррентные соотношения для решения ОЗД в сочетании с устройством, решающим ОЗК, позволяют обеспечивать быстрое формирование сигналов управления движительным комплексом.

Разработанная схема расположения движителей ПА в сочетании с новыми (созданными А.В. Лебедевьм) системами самонастройки каждого движителя, а также средствами дополнительной коррекции позволяют быстро и точно формировать требуемые упоры каждого движителя, обеспечивающие стабилизацию ПА в заданной точке пространства.

Новизна теоретических положений диссертации и полученных на их основе технических решений подтверждены опубликованными докладами на нескольких международных конференциях.

Практическая ненность диссертации. Практическая ценность результатов, полученных в диссертации, заключается в создании эффективных алгоритмов формирования сигналов управления, а также схемы технических устройств, позволяющих повысить эффективность (точность, быстродействие и др.) работы ПА, оснащенных манипуляциоными устройствами различного назначения.

Проводимые исследования включались в основные направления научно-исследовательских работ Дальневосточного государственного технического университета. Они выполнялись в рамках госбюджетных тем ДВГТУ 52-91-Г (N гос. регистрации 01.9.10037194), 52-91-1 ДВР (N гос. регистрации 01.9.30.009297), ГБ 52-91-53 (N гос. регистрации 01.9.10037194), ГБ 93-53-7 (N гос. регистрации 01.9.50001734), 53.1.3.96.

Внедрение результатов исследований осуществлено на кафедре "Автоматизация и управление техническими системами" Дальневосточного государственного технического университета в курсе "Системы управления роботами".

Апробация работы, Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 8-ом международном симпозиуме Unmanned Untethered Submersible Technology (Portsmouth, USA, 1993), на международной конференции OCEANS'94 (Brest, France, 1994), на 4-ом международном симпозиуме International Offshore and Polar Engineering (ISOPE) (Osaka, Japan, 1994), на конференциях Дальневосточного государственного технического университета (Владивосток 1993, 1996), а также на семинарах кафедры "Автоматизация и управление техническими системами" ДВГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы. Подана заявка на патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит го введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 11Г страницах машинописного текста, включая ¿5 рисунков, Ъ таблицЬ.Список литературы состоит из 146 наименований и 16 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается проблема н определяются задачи исследования. Показана новизна и актуальность решаемых задач, их практическая значимость. Дается общая характеристика диссертационной работы, а также характеристика результатов, полученных в каждой главе.

В первой главе конкретизируется постановка решаемых задач, дается обзор и проводится анализ работ в области использования подводных аппаратов для различных целей, а также в области управления подводными манипуляторами. Показывается, что по мнению многочисленных авторов поставленные в диссертации задачи являются весьма важными и актуальными.

В данной работе предполагается использовать ПА, содержащий шесть движителей. Причем, движители располагаются таким образом, чтобы обеспечивать ПА три поступательных и три вращательных движения вокруг каждой из трех осей декартовой системы координат, связанной с корпусом ПА.

Исходя из поставленной задачи исследования, в главе предлагается использовать разомкнутую автоматическую систему компенсации ПА в процессе движения манипулятора. Эта схема представлена на рис.1.

На этой схеме введены следующие обозначения: r'(t), a'(t), b'(t) е 9Î3 -реальные значения векторов положения и ориентации схвата; q,(t), q,(t), qi(t) - желаемые (программные) и q[(t), q'(t), q'(t) - реальные значения обобщенных координат, скоростей и ускорений ( i = 1,6 ); F, M -главный вектор и главный момент сил, действующих на ПА со стороны манипулятора.

Управление шестистепенным манипулятором может осуществляться в двух режимах. От программного устройства, формирующего в аналоговом виде сигналы желаемых значений r(t), a(t) и b(t) или при помощи оператора от задающего органа, кинематически подобного манипулятору.

В первом случае для определения всех обобщенных координат qj требуется разработать и использовать УОЗК, в котором необходимо

формировать также сигналы q,(t), q,(t). Это можно делать на основе аналитических зависимостей, полученных для всех q( = (r(t), a(t), b(t)).

• é*

Во втором случае координаты q;, и q; следует формировать в соответствующих степенях подвижности 30, используя соответствующие датчики физических величин.

Г(0,

ПУ - программное устройство; 30 - задающий орган; УОЗК - устройство, решающее ОЗК; ПОЗД - программа' решения ОЗД; ПРУ - программа расчета желаемых значений упоров движителей Р1 (1 = 1,6); ЦАП . - цифро-

аналоговый преобразователь канала ¡; КУ( - корректирующее устройство канала г, УМ; - усилитель мощности канала 1; Дг - движитель ПА канала 1, реализующий упор Р,; АЦП - многоканальный аналого-цифровой преобразователь; СУПМ - система управления приводами манипулятора; УМЛ4, - усилитель мощности степени подвижности 1 манипулятора; Ц - привод степени подвижности и

Рис. 1. Функциональная схема разомкнутой системы компенсации подводного аппарата

В дальнейшем предполагается, что манипулятор имеет хорошие СУПМ, т.е. желаемые значения q^ qi и q, достаточно точно совпадают с реальными (текущими) значениями обобщенных координат, скоростей и ускорений. В противном случае значения q(, q^ и q' необходимо снимать и подавать на АЦП непосредственно из соответствующих степеней подвижности подводного манипулятора (так как это показано на рис.1, пунктиром). Для разрабатываемой системы компенсации это не имеет принципиального значения. Однако, если СУПМ для их качественной работы

не требуют установхи датчиков для измерения значений q' и q' в соответствующих степенях подвижности манипулятора, то использование этих сигналов в разрабатываемой системе компенсации потребует увеличения габаритов и усложнения (удорожания) манипулятора.

На основе информации о qi? q; и qi (i = 1,6) в контроллере в РМВ должна решаться ОЗД с целью формирования векторов F и M, а также рассчитываться требуемые для стабилизации ПА упоры соответствующих движителей Д; (с учетом их расположения на ПА) и необходимые доя этого сигналы, подаваемые в соответствующие каналы управления движителями.

Для обеспечения высокого качества управления ПА корректирующие устройства КУ; должны обеспечивать стабилизацию параметров

соответствующих движителей на номинальном уровне независимо от режимов их работы, а также снижать их постоянную времени до некоторого минимального уровня. Более подробно об особенностях синтеза КУ; говорится в четвертой главе диссертации.

С целью наиболее эффективного решения ОЗК и ОЗД в первой главе также выполнен детальный анализ возможных подходов, предложенных различными авторами. На основе этого анализа было выявлено несколько методов решения ОЗК, в том числе метод обратных преобразований, геометрический подход и другие. Кроме того, анализ показал, что для быстрого решения ОЗК с помощью автономного устройства необходимо формировать предельно простые зависимости q,(i = 1,6) от элементов векторов r(t), a(t), b(t). Известные методы этого не позволяют.

Первые алгоритмы решения ОЗД формировались на основе уравнений

Лангранжа второго рода и имели вычислительную сложность (ВС), i „ пропорциональную п , где n-число степеней подвижности манипулятра. В

дальнейшем были созданы алгоритмы, имеющие линейную зависимость ВС от п. Именно эти алгоритмы, включающие две рекурсии, в дальнейшем будут

взяты за основу. То есть при решении ОЗД будем использовать предельно компактные рекуррентные соотношения, учитывая свойства вязкой окружающей среды.

Более подробно об особенностях решения ОЗК и ОЗД для реализации разрабатываемой системы стабилизации ПА будет говориться соответственно во второй и третьей главах диссертации.

Во второй главе диссертации предложен алгоритм и на его основе получены конкретные аналитические выражения для всех обобщенных координат выбранного шестистепенного манипулятора в функции координат

вектора текущего положения характерной точки Р схвата в связанной с ПА системе координат и координат двух ортогональных единичных векторов а е 9?3 (вектор подхода) и Ь е 9?3 (вектор ориентации), расположенных в одной плоскости с губками схвата.

В качестве манипулятора в дальнейшем будет рассматриваться разомкнутый многозвенный механизм, состоящий из абсолютно твердых тел, соединенных шарнирами пятого класса.

На рис.2 представлена кинематическая схема рассматриваемого манипулятора. На этом рисунке введены следующие обозначения: Ц -

длины звеньев, 3 = 1, -4; е, - единичные векторы, совпадающие с осями шарниров соответствующих степеней подвижности манипулятора, 1 = 1,6. Отметим, что в наиболее распространенных манипуляторах типа "ПУМА" векторы е1 ориентирующих степеней подвижности = 4, 6) пересекаются в одной точке V/.

Поскольку е6 = а, то из рис.2 следует, что

Я=г-Ь4-а. (1)

Очевидно, что для рассматриваемого манипулятора справедливы зависимости

Я= Я(Ч„Ч2,Я3), (2)

а = а(Я, я4,ч5), (3)

Ь = Ъ(а, Чб). (4)

Решение ОЗК в работе осуществляется при последовательном выполнении следующих шагов:

1. Определение Я из с отношения (1).

2. Определение Я,, Ч2, Ч3 из соотношения (2) на снове трех уравнений

с тремя неизвестными.

3. Определение из соотношения (3) на основе двух уравнений с двумя неизвестными.

4. Определение с помощью соотношения (4).

L,

V ш*- ( Г->е* 1 • % 1 1W / ,— вб Л

"к 72 г 1 ei ез R У L- i —* 1

А У

Рис.2. Кинематическая схема шестистепенного манипулятора "ПУМА"

Выполняя указанную последовательность действий и вводя соответствующие преобразования, в работе были получены следующие достаточно простые аналитические зависимости для определения всех q;

( i = 1, 6 ) для изменяющихся во времени векторов r(t), a(t) и b(t)

q, = -arctg

R.

q2 = arcsin-

g3

ci

q3 = arcsin (f, + f2 • s2) - q2, q4 = ± arccos(—

- arctg

II g,

c, - a. + s, • ay

—s.

(5)

q5 = ±arccos(-s, -сф -a, +c, -c, -ay + s„ -az),

q6 = ±arccos ((s, ■ s„ -c4 + c, • s4)- bx +(-c, - s, -c4 + s, • s4)-by + сф -c4 -bj,

: gi=2-f,-f2; g2=2-f2-f3;

ще И,, Яу, ах, ау, аг,Ъх, Ьу, Ьг - элементы соответствующих векторов Я, Ьз * С]

£з = ~ £ '» с<р = со8ф; в^вцкр; с^ад^; в^аац.; Ф = Ч2

Сравнение аналитических выражений (5) с теми, которые получены Фу и Шахинпуром показывает, что первые имеют меньшую ВС по сравнению с известными. В частности для вычислений (1 = 1,6) по выражениям (5) требуется 45 операций умножения, 23 операций сложения и 19 операций вычисления стандартных функций. Применение же известных подходов требует выполнения 84 операций умножения, 34 операции сложеия, а также 21 операций вычисления стандартных функций.

Для устранения неоднозначностей при определении соответствующих углов в процессе вычисления тригонометрических функций в работе предлагаются определенные достаточно простые правила и логические условия, которые поддаются простому математическому описанию.

На основе соотношений (5) с учетом указанных выше правил и условий в работе было разработано и реализовано в виде детальной блок-схемы оригинальное аналоговое вычислительное устройство, которое позволяет в РМВ осуществлять вычисление всех qj (i = 1, 6) и реализуется с помощью типовых электронных элементов. Это устройство представлено к патентованию.

Результаты выполненного числового моделирования (решение обратной, а затем и прямой задачи кинематики) полностью подтвердили правильность полученных математических соотношений, правил и логических условий. То есть при заданных изменяющихся параметрах r(t), a(t) и b(t) всегда однозначно и точно формировались все обобщенные координаты манипулятора q; (i = 1, 6), обеспечивающие требуемое перемещение его схвата по заданной траектории с заданной ориентацией.

Очевидно, что с использованием выражений (5) можно получить и

требуемые для решения ОЗД значения qi и (i = 1, 6) в функции изменения элементов векторов r(t), a(t), b(t), и их производные, которые задаются программно. Несложно показать, что, используя рассмотренный выше подход, выражения, аналогичные (5), можно получить и для шестистепенных манипуляторов с другими кинематическими схемами.

В третьей главе диссертации рассмотрена проблема эффективного (в РМВ) решения ОЗД для манипуляторов произвольного вида при их движении в вязкой среде. Для решения этой проблемы используется рациональное векторное описание механизма в рекуррентной форме.

Полагается, что масса каждого звена манипулятора Ш; и его тензор

инерции Ti, заданный относительно центра массы, известны. Звенья кинематической цепи манипулятора нумеруются последовательно от ПА с номером "О" к схвату с номером "п'\ где п-число звеньев манипулятора (совпадает с числом степеней подвижности).

Основные векторы, используемые в дальнейшем для описания манипулятора, показаны на рис.3, где x0ycz0 система координат (СК), жестко связанная с ПА.

Для удобства составления алгоритма решения ОЗД с каждым звеном i манипулятора жестко связана правая СК При построении этих

связанных СК используется подход Денавита-Хартенберга. В процессе

решения ОЗД все вычисления выполняются в этих СК, связанных с соответствующими звеньями манипулятора.

На рис.4 показано расположение этих связанных СК. Причем орт г{

совпадает с осью соответствующего шарнира, соединяющего звенья 1 и 1-1. Ось X; параллельна общему перпендикуляру к zi и и направлена от оси г1 к оси ги1, а ось у; образует с и гх правую тройку. Ось хп направлена вдоль оси звена п к рабочему органу. При переводе векторных величин из СК 1 в СК 5-1 используется матрица А!., вращений (направляющих косинусов) стандартного вида.

При описании движения манипулятора в водной среде в диссертации учитывались особенности сопротивления вязкой среды, т.е. наличие выталкивающей архимедовой силы, силы вязкого трения, присоединенные массы жидкости, а также подводные течения. Причем для описания соотношений, позволяющих решать ОЗД при перемещении манипулятора в водной среде, были приняты рекомендации РЬ. Coiffet, ТЛ.Тагп и Н. 1апосЬа. Согласно этим рекомендациям при малой скорости движения сила сопротивления жидкости принята прямо пропорциональной вязкости и указанной скорости

Рв=к-п-у, (6)

где к - множитель, зависящий от формы перемещаемого твердого тела; Т| - вязкость жидкости; V - скорость перемещения тела.

При больших скоростях эта сила пропорциональна квадрату скорости

р Р-к'-З-У2,

В Г)

2

где р - плотность вязкой среды; к - коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса, связанный с формой и ориентацией звеньев подводного манипулятора; в - площадь проекции поверхности твердого тела на плоскость, перпендикулярную направлению скорости его движения.

В диссертации в разработанном алгоритме решения ОЗД в зависимости от текущего значения V использовано или уравнение (6), или уравнение (7). В автореферате (ввиду ограниченности объема) будет представлен алгоритм решения ОЗД только для случая, коща используется выражение (7), так как оно соответствует наиболее часто используемым рабочим скоростям движения звеньев манипулятора. Кроме того в представленном алгоритме с целью сокращения записи центр массы ПА принят совпадающим с цеЕггром величины.

Движения манипулятора (с очень большими скоростями), при которых возникает турбулентность, в диссертации не рассматриваются.

Если звено манипулятора 1 совершает сложные движения так, как это показано на рис.5, то для определения сил и моментов, действующих на это тело, в работе предлагается воспользоваться принципом декомпозиции движения. В частности линейную скорость движения звена V. раскладывают на продольную и поперечную составляющие у^ ( см. рис.5). То же самое предлагается делать и с угловой скоростью сап разложив ее на составляющие аи и <ар1.

В результате в диссертации полагается, что звено 1 в жидкости совершает четыре раздельных движения.

Рис.5. Расположение векторов при движении звена \ в жидкости

Поступательное движение со скоростью уы в направлении продольной оси тела. В этом случае на звено 1 по аналогии с (7) будет действовать сила вязкого трения, направленная вдоль продольной оси тела,

(8)

ще ки - безразмерный постоянный коэффициент; - площадь

поверхности звена 1.

Вращательное движение с угловлй скоростью о ы . В этом случае на

звено 1 будет действовать момент вязкого трения, направленный вдоль продольной оси звена

Мц = £- ки-8и-г'-Юи2-рт. (9)

2 ы

где кц - безразмерный постоянный коэффициент; п - средний радиус

поверхности звена 1 относительно его продольной оси.

Поступательное движение звена I со скоростью ур1. В указанном

случае сила сопротивления движению звена 1 в вязкой среде будет иметь вид

(Ю)

где к^ - безразмерный постоянный коэффициент; а момент, действующий на это звено примет вид

м; -|Р*ХР;. (И)

Вращательное движение с угловой скоростью шр!. При данном движении сила сопротивления имеет вид

К =!-ь„-81-к,хрГ|.(©1.хр;), (12)

а моментное воздействие на рассматриваемое звено Ц вызываемое силой Б™ определяется в виде

М;=|р:ХР». (13)

С учетом выражений (8)-(13) алгоритм решения ОЗД в окончательном виде (с использованием известных соотношений, полученных для промышленных манипуляторов) принимает вид

ffl¡ = А! 1 -Oj., +e¡ -qj-CTi , ra0 i = l,n,

со, = A!"1 -0)1-1 +

(A)"1 •ta¡-i)xe¡ • q¡+ e¡ -q¡

ct¡ , có0 = á'0, i = l,n,

Р/ = A!"1 .(P\'_, + 5i_1 •?;.,) + (2Ч]-са; x e, + q,-e,)• a¡f P0' = -g\i = l,n,

L = + T;,í = Ü,

v¡ = A?"1 -(v¡_, + Oj., x p*_,), v, = vj, i = 2,n,

V¡-P¡ n ®¡-PÍ

a¡ = arceos, , . ,. p¡ = arceos-——¡—r,

1 I 1 1 * 1 7 ~ i 1*

KMpi ffli-p¡

(14)

vp = v¡ -sina¡, vLi = v¡ - cosa;, rap¡ -sinp,, соu =m, -cospi, F. = A;+1 • Fi+1 + (m¡ + Пш1). FLi + F; +■ F», F„+1 = 0, i = ¡¡Д, M, = A'j+1 -Mi+1 + p* x (A!+l • Fi+]) +1* x (m,-L) + r^ x (Umi • r'mi) + + T,) • ¿,+ +©, X ((í; + T.) • a»,) + MLi + м; + Щ, Mn+I = 0, i = ¡¡Д,

ще 6,

-(Ю«2> + ®ЧЭ))

ai(l) '«>¡(2) + ® i(3)

•(£>„„ - o,,,

COí.

¡(2) " w¡(3) "" 0¡(1)

•®i(2) ® ¡(2) -«¡(3) +©>(!)

-(«цц + Юц»)

V* = у0 +ут, \0 е9?3- линейная скорость ПА; ут е913- скорость течения

жидкости; о; <=9?3 - угловое ускорение звена 1; гш1 е3 - линейное ускорение центра масс звена 1; о^Ид е9?3- угловые скорость и ускорение ПА; ст. = 1, если шарнир поступательный, и с^ = 0, если шарнир вращательный (о! = 1 - О;); Пт1- масса жидкости, присоединенная к звену ¡;

тенцор инерции присоединенной к звену 1 массы жидкости относительно центра массы звена; г^ - вектор положения центра присоединенной к звену 1 массы жидкости относительно шарнира Р[ - промежуточная величина. В выражении для матрицы 8, нижние индексы ее элементов указывают на

номер элементов соответствующих векторов. Р и М вычисляются на последнем шаге алгоритма, т.е. Б =-Рп, М =-Мп.

Начальные условия для Р0' (см. (14)) определяются согласно

выражению g*=g•(l---), где д е 9? - вектор ускорения свободного

падения; - масса жидкости, вытесненной звеном 1. Это позволяет учесть действие на звено 1 и силы тяжести Р^ = и архимедовой подъемной

силы ^ = тл^ • £ одновременно (см. рис.5).

Четвертая глава диссертации посвящена формированию управляющих воздействий на соответствующие движители ПА на основе текущих значений элементов векторов Б и М (см. алгоритм решения ОЗД), а также синтезу корректирующих устройств, обеспечивающих указанным движителям заданные (неизменных) динамические свойства.

Из условия стабилизации положения и ориентации ПА в указанной точке пространства, которая заключается в равенстве нулю проекций на оси координат х0у0г0 всех сил и моментов, действующих на ПА, в диссертации были получены следующие соотношения для программных значений упоров всех движителей ПА (когда Б* 0 и М^О)

. -М,+е'.Р, 1 1

2 £ 2 2 2 1 2

. -М -Ь-Р -е"Р 1 , М +Ь Р+е*-К 1 Р =_I_У_Р =—----5- - -р (151

Рз 2 к'' 2Ь"Р4 2 к;/ 2 ' ^

, М¥ - Ь • Р„ 1 . -Му + Ь - Рх 1

р =_у-_р =_-_1__р

5 2с 2 6 2с 2

где £, е*, к? с, Ь - постоянные геометрические параметры движителей ПА.

Эти программные значения Р;* в ЦАП. (см. рис.1) преобразуются в управляющие напряжения соответствующих движителей Х_Г1, которые после коррекции (в КЗ^ и усиления (в УМ,) поступают на входы движителей Д^

В главе отмечается, что динамика этих движителей в общем случае описывается нелинейными дифференциальными уравнениями с переменными параметрами и с достаточно большой постоянной времени. В результате управлять и обеспечивать качественную стабилизацию ПА с помощью этих движителей без введения специальных средств коррекции чрезвычайно затруднительно. Поэтому в данной главе, используя разработки А.ВЛебедева, предлагается вводить специальные нелинейные и самонастраивающиеся корректирующие устройства, обеспечивающие не только стабилизацию параметров этих движителей, но и задание им желаемых динамических свойств и показателей качества. После введения коррекции каждый движитель удалось представить в виде апериодического звена с малой неизменной постоянной времени.

Таким образом, для реализации одного просчета по алгоритму (14) для всех \ от 1 до 6 с учетом вычисления Р* по выражениям (15) требуется

выполнить около 2700 операций. Для современной типовой бортовой ЭВМ с быстродействием 1000000 операций в секунду и выше управляющие воздействия на движители ПА можно формировать с частотой 370 Гц. Как показали экспериментальные исследования это является вполне достаточным, чтобы осуществить точную стабилизацию ПА в РМВ.

В пятой главе диссертации выполнены исследования синтезированных систем и алгоритмов в различных режимах эксплуатации. В главе описана модель ПА, которая использована в процессе моделирования, заданы ее параметры и параметры закрепленного на ПА манипулятора.

Эффективность работы созданной системы компенсации показана на рис. 6 и рис. 7. Здесь цифрами 1 и 2 обозначены угловые или линейные смещения ПА при плоском движении вытянутой руки манипулятора по закону q, = 1.5 • t2 - 1.5 при t (0.5, q, = 1.5 (t - 0.5) -1.13 при 05 < t < 2.0 и q, = -1.5 (t - 2.0)2 + 1.5 (t - 2.0) 4-1.13 при t )2.0 (q,-обобщенная координата первой степени подвижности) без и с предложенной системой компенсации, соответственно. Масса ПА т0 = 1588 кг, диаметр ПА d0 = 2.54 м, масса манипулятора mr = 1D5 кг и его длина Lr = 1.80 м. Постоянная времени движителей Т = 0.1 с.

Рис.6. Угловое смещение Рис.7. Линейное смещение

Из этих рисунков видно, что использование разработанной системы компенсации позволяет уменьшить в 11.4 раз максимальное угловое и в 8.6 раз максимальное линейное смещения ПА от его исходного положения. При этом характерная точка схвата без использования предложенной системы на конечном участке движения будет находиться на расстоянии больше 1 м от заданного положения, а при использовании этой системы меньше 5 см. Последнюю ошибку оператор может легко устранить за счет дополнительного движения схвата, а в первом случае (при большой ошибке) должен дополнительно перемещать весь ПА. Аналогичные результаты получены и для других режимов работы ПА.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации была решена важная задача разработки системы компенсации силовых воздействий на ПА в процессе выполнения манипулятором некоторых технологических операций. Решение этой задачи имеет существенное значение для создания высокоэффективных технических средств исследования и освоения океана. Полученные результаты могут быть использованы разработчиками при создании ПА различного назначения.

При решении указанной выше задачи получены следующие новые научные результаты.

1. Разработана обобщенная схема построения устройства компенсации воздействий на ПА от работающего многостепенного манипулятора.

2. С целью упрощения решения ОЗК был предложен новый подход к формированию аналитических выражений для всех обобщенных координат манипулятора. На основе этих выражений было построено оригинальное аналоговое устройство, позволяющее в РМВ производить все необходимые вычисления.

3. На основе математического описания динамики манипуляторов с помощью рекуррентных соотношений получены компактные соотношения, описывающие движения звеньев манипулятора в вязкой среде по различным (призвольным) траекториям. С помощь этих соотношений удалось составить вычислительную схему, позволяющую в РМВ решить ОЗД на базе типовых микропроцессорных устройств.

4. Выполнен анализ эффективности введения предложенной стабилизации ПА при выполнении манипулятором различных рабочих движений. Показана целесообразность введения разработанной системы компенсации.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Filaretov V.F., Koval Е. V. Automatic Stabilization of Underwater Robot in the Time of Manipulation Operations // Proc. of the Fourth International Offshore and Polar Engineering Conf. -Osaka, Japan, 1994. -Vol. 2. -pp. 382-388.

2. Koval E. V. An Approach to Automatic of Underwater Robots in the Time of Manipulation Operations II Proc. of the 8th International Symp. on Unmanned Untethered Submersible Technology. -Portsmouth, USA, 1993. -pp. 427-436,