Введение к работе
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, для обследования затонувших объектов и инспектирования технического состояния подводных колшуникаций и сооружений, для взятия проб геологических пород, воды, растительности, биологических организмов и т.д. Но особо важную и актуальную роль играют 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, Е.Н. 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 фунт. 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 машгауляционных 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. Лебедевым) 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 ценность 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 из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 11Г страницах машинописного текста, включая 2.5 рисунков, 5 таблиць .Список литературы состоит из 146 наименований и 16 страниц.