Динамическая модель мобильного РТК как сложной мехатронной системы

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

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

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

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

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

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

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

•Игсл v-IOIIO (iniill.

Рис. В.2. Кинематическая схема РТК СКМ.

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

• разработана модель внешних возмущений,.

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

• разработан алгоритм управления поворотом РТК СКМ,.

• проведены экспериментальные исследования.

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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

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

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

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

По материалам диссертации опубликовано четыре работы.