Содержание к диссертации
Введение
1. Методы исследования информационно-измерительных систем мобильных колесных роботов 11
1.1. Характерные особенности исследуемых современных мобильных роботов 12
1.2. Мобильный колесный робот как объект измерения и управления 17
1.2.1. Система передвижения 18
1.2.2. Манипуляционная система 19
1.2.3. Система технического зрения 20
1.2.4. Система связи 20
1.2.5. Информационно-измерительная и управляющая система 21
1.3. Методы исследования мобильных роботов как объектов измерения и управления 26
1.3.1. Статическое моделирование мобильного робота 29
1.3.2. Динамическое моделирование мобильного робота 31
1.4. Особенности цифровой реализации информационно-измерительных и управляющих систем мобильных роботов 35
1.4.1. Точность цифровой обработки сигналов 36
1.4.2. Временная задержка при цифровой обработке сигналов 39
1.5. Выводы 40
2. Кинематические соотношения в манипуляторе и требования по точности к датчикам сенсорной подсистемы 42
2.1. Требования к точности датчиков, измеряющих положение рабочего органа манипулятора в пространстве 43
2.1.1. Задача о максимуме погрешности оцениваемой величины 44
2.1.2. Влияние погрешностей параметров функции на точность оценки выходной величины 47
2.1.3. Суммарная ошибка оценки выходной величины 51
2.1.4. Методика определения точности оценки выходной величины нелинейного блока 51
2.2. Манипулятор с тремя линейными двигателями как стержневая конструкция 53
2.2.1. Кинематическая модель узла приведения в движение штанги манипулятора 56
2.2.2. Коррекция кинематической модели с учетом реального расположения плоскостей мобильного колесного робота 60
2.2.3. Кинематическая модель узла приведения в движение коромысла 62
2.3. Точность оценки местоположения манипулятора 65
2.4. Выводы 68
3. Динамика информационно-измерительной системы мобильного колесного робота 70
3.1. Динамика платформы мобильного колесного робота 71
3.2. Описание движения звеньев двухзвенного манипулятора 77
3.2.1. Динамическая модель штанги 1 78
3.2.2. Динамическая модель линейного привода 2(3) 81
3.2.3. Динамическая модель коромысла 4 84
3.2.4. Динамическая модель линейного привода 5 87
3.2.5. Дополнительные факторы, влияющие на динамику 89
3.3. Упрощенная модель динамики манипулятора 91
3.3.1. Линейные вертикальные колебания платформы 91
3.3.2. Оценка быстродействия канала измерения состояния линейных приводов 2 и 3 94
3.3.3. Оценка быстродействия канала измерения состояния линейного привода 5 103
3.4. Информационно-измерительная система линейных приводов 105
3.5. Быстродействие датчиков продольного движения мобильного колесного робота 107
3.6. Выводы 110
4. Проектирование информационно-измерительной и управляющей системы мобильного колесного робота 112
4.1. Управление положением рабочего органа манипуляционной системы 113
4.2. Точность установки углов манипуляционной системы 120
4.3. Датчики, применяемые в сенсорной подсистеме информационно-измерительной системы 125
4.3.1. Тросиковые датчики 125
4.3.2. Датчики угла поворота 127
4.3.3. Концевые выключатели 128
4.4. Динамический режим работы датчиков 129
4.5. Управляющая подсистема информационно-измерительной системы 137
4.6. Выводы 139
Заключение 141
Библиографический список 144
Приложение 157
- Мобильный колесный робот как объект измерения и управления
- Манипулятор с тремя линейными двигателями как стержневая конструкция
- Быстродействие датчиков продольного движения мобильного колесного робота
- Датчики, применяемые в сенсорной подсистеме информационно-измерительной системы
Введение к работе
Актуальность темы. Мобильные колесные роботы в настоящее время широко используются в различных областях человеческой деятельности, в частности в промышленности (робокары), в антитеррористических операциях (роботы-саперы) при ликвидации последствий техногенных аварий и катастроф (в средах, недоступных для человека или опасных для него), в военном деле (роботы-разведчики) и т.п. Типовой мобильный колесный робот представляет собой малогабаритное дистанционно- управляемое транспортное средство, состоящее из корпуса, энергетической установки, трансмиссии и движителей и несущее на себе телекамеру и манипулятор для выполнения заданных операций. В качестве движителей транспортного средства используются либо колеса с пневматическими шинами, либо гусеницы, с подрессоренными катками, что обеспечивает эффективное передвижение робота в различных средах, в том числе по пересеченной местности, сыпучим фунтам, снегу и т.п.
Из существующих уровней управления мобильным роботом: (стратегический, тактический, исполнительный) наиболее важным, с точки зрения практической реализации, является нижний исполнительный уровень, поскольку, именно он определяет качество выполнения спецопераций. В свою очередь, исполнительный уровень робота полностью определяется, как конструкцией его основных управляемых систем (манипуляционная, передвижения, технического зрения, связи), так и конструкцией информационно-измерительной и управляющей системы, организующей работу всего бортового оборудования.
Указанные обстоятельства привели к тому, что информационно-измерительная и управляющая система мобильного колесного робота является важнейшим звеном в иерархической схеме управления, от качества, проектирования которого зависит эффективность применения мобильного робота в целом. Проблемы целенаправленного проектирования подобных систем решены далеко не полностью, в частности не решена проблема обеспечения точности пространственного перемещения рабочего органа при размещении его на подрессоренном основании и отсутствии возможности прямого измерения его положения, что объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.
Объектом исследования диссертационной работы являются информационно-измерительная и управляющая система мобильного колесного робота, осуществляющая сбор информации о состоянии бортового оборудования и обеспечивающая непосредственное управление им. Методы проектирования информационно-измерительных систем, с косвенной оценкой управляемых параметров, разработанные в диссертации, могут быть применены и для других информационно-измерительных систем, например используемых в химической, металлургической и т.п. отраслях промышленности.
Предметом исследования диссертационной работы являются технические характеристики информационно-измерительной и управляющей системы мобильного колесного робота, обеспечивающие требуемую точность позиционирования рабочего органа при косвенной оценке его координат по состоянию
приводов манипуляционной системы и системы передвижения.
Вопросами проектирования робототехнических комплексов вообще и их информационно-измерительных и управляющих систем, в частности, занимались СВ.Бурдаков, С.А.Воротников, П.Д.Крутько, В.С.Кулешов, НА.Лакота, И.М.Макаров, Ю.В.Подураев, Е.П.Попов, Е.И.Юревич, А.С.Ющенко.
Из всех существующих подходов к разработке информационно-измерительных и управляющих систем мобильных роботов наиболее продуктивным представляется подход, основанный на аналитических методах математического моделирования процессов в объекте измерения и управления, что позволяет целенаправленно планировать будущие свойства разрабатываемой информационно-измерительной и управляющей системы. Для этого в диссертации использованы: теоретическая механика, теория управления, теория измерительной техники.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов обеспечения точности функционирования бортового оборудования мобильного колесного робота, за счет рационального проектирования его информационно-измерительной и управляющей системы.
В соответствии с поставленной целью, в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
Разработка типовой структуры мобильного колесного робота, как объекта измерения и управления, а также конфигурации его информационно-измерительной и управляющей системы на основании обзора существующих типов мобильных колесных роботов.
Развитие метода косвенной оценки регулируемых величин для случая цифровой обработки сигналов в приложении к манипуляционным системам мобильных колесных роботов.
Получение функциональных зависимостей пространственных координат рабочего органа (регулируемые величины) от длин ходов штоков линейных приводов, обеспечивающих пространственное положение (измеряемые величины) для манипуляционной системы исследуемого типа.
Получение зависимостей для оценки регулируемых величин по точностям датчиков измеряемых величин.
Исследование динамики мобильного колесного робота при функционировании манипуляционной и движущей систем.
Выработка рекомендаций по выбору датчиков сенсорной подсистемы, обеспечивающих требуемую точность пространственного позиционирования рабочего органа.
Выработка рекомендаций по быстродействию датчиков сенсорной подсистемы достаточному для управления манипуляционной системами с заданной динамикой.
Разработка структуры программной реализации управляющей подсистемы.
Научная новизна диссертации заключается в следующем. 1. Получены зависимости для определения относительной погрешности оцениваемых параметров по относительным погрешностям датчиков измеряе-
мых величин.
Для манипулятора с кинематической схемой на основе трех линейных приводов получены функциональные зависимости, связывающие пространственное положение рабочего органа и величины ходов штоков двигателей, что необходимо для оценки пространственного положения по величинам ходов штоков.
Построена общая математическая модель, описывающая динамику объекта измерения и управления, а также с использованием принципов раздельного движения из общей модели получены описания частных случаев продольного и поперечного расположения штанги манипулятора.
На основании оценки коэффициентов влияния относительных погрешностей датчиков линейных перемещений ходов штоков линейных приводов предложен метод управления положением рабочего органа, а также струїстура управляющей подсистемы, реализующая предложенный метод управления.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации методы, ориентированы на использование при проектировании информационно-измерительных и управляющих систем, как вновь разрабатываемых, так и модернизируемых мобильных колесных роботов, что позволяет повысить их потребительские свойства и сократить сроки их разработки.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается результатами численного моделирования информационно-измерительной системы, а также внедрением результатов на предприятии.
Положения, выносимые на защиту.
Зависимость для определения относительной погрешности оцениваемых параметров по относительным погрешностям датчиков измеряемых величин, представленных в цифровом коде с заданным количеством разрядов.
Зависимости для определения пространственных координат рабочего органа от величин ходов штоков линейных приводов.
Математическая модель, описывающая динамику объекта измерения и управления, полученная с использованием принципов раздельного движения.
Метод управления положением рабочего органа с использованием косвенных оценок пространственных координат по измерительной информации, поступающей от датчиков ходов штоков линейных приводов, а также структура управляющей подсистемы, реализующая предложенный метод управления.
Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы реализованы автором в ОАО "Центральное конструкторское бюро аппара-тостроения".
Ряд теоретических положений внедрен в учебный процесс Тульского государственного университета на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» в лекционных курсах по дисциплинам: «Информационные устройства и системы в робототехнике», «Электроника информационно-измерительных систем», «Измерительная системотехника».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
1. XXVI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский госу-
дарственный университет, 2008.
XXVII Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2009.
Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21. XXI Международная научная конференция. - Саратов: Саратовский государственный технический университет.
Научно-техническая конференция Интеллект-2009. - Тула: Тульский государственный университет, 2009.
5. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского
состава Тульского государственного университета 2005 - 2009 гг.
По теме диссертации опубликовано 16 работ, включенных в список литературы, в том числе: 7 статей, представляющих собой материалы межрегиональных научно-технических конференций, 2 статьи в сборниках, рекомендуемых ВАК РФ для публикаций материалов кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, изложенных на 120 страницах машинописного текста и включающих 68 рисунков и 3 таблицы, заключения, списка использованной литературы из 148 наименований и приложения на 2 с.
Мобильный колесный робот как объект измерения и управления
Функциональная схема робота, как объекта автоматизации и управления, приведена на рис. 1.5.
Мобильный колесный робот включает шесть систем: систему передвижения, манипуляционную систему, информационно-измерительную и управляющую систему, систему технического зрения, систему связи с пунктом управления и энергетическую систему (на рис. 1.5 не показана).
Система передвижения включает энергетическую установку, трансмиссию, движители. В качестве энергетической установки в мобильных роботах может использоваться двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель. В последнем случае, собственно источником энергии может служить аккумулятор или мотор-генератор.
Устройство трансмиссии во многом определяется типом энергетической установки, примененной в системе передвижения. В том случае, если в качестве двигателя использован двигатель внутреннего сгорания, то вследствие особенностей его скоростных характеристик, в состав трансмиссии должны входить сцепление и коробка передач. Кроме того, устройство трансмиссии зависит также от типа используемых движителей. В колесном транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания применяется дифференциал. В гусеничном подвижном роботе с двигателем внутреннего сгорания используется вариатор коэффициентов передачи или раздельные коробки передач для правого и левого движителей. При использовании в качестве энергетической установки электродвигателя постоянного тока, перечисленные узлы для обеспечения продольного движения и маневров по углу курса не требуются, что существенно упрощает как конструкцию, так и процесс управления роботом.
Кроме того, в состав системы передвижения должен входить тормоз, ограничивающий движущий момент энергетической установки, или увеличивающий момент сопротивления на движителях мобильного колесного робота. С помощью энергетической установки возможен как разгон, так и динамическое торможение транспортного средства, тормоз предназначен только для уменьшения продольной скорости робота.
Манипуляционная система включает, как минимум один манипулятор, предназначенный для целенаправленного механического воздействия на окружающую среду и/или объект труда. Любой применяемый в настоящее время манипулятор представляет собой механизм, включающий в себя ряд соединенных последовательно кинематических пар, создающих вращательное или поступательное движение одного из звеньев пары относительно другого. Оканчивается манипулятор, как правило, рабочим органом, собственно который и осуществляет силовое механическое воздействие на окружающую среду, и/или объект труда. Манипуляторы работают в прямоугольной, цилиндрической или сферической системе координат, в зависимости от назначения робота. В прямоугольной системе осуществляется три линейных перемещения рабочего органа в трех взаимно перпендикулярных направлениях, при этом рабочая зона представляет собой прямоугольный параллелепипед. В цилиндрической системе производится одно вращательное и два поступательных (радиальное и осевое) движения рабочего органа, при этом рабочая зона представляет собой цилиндр с переменным радиусом. В сферической системе осуществляется два вращательных и одно поступательное (радиальное) движения рабочего органа, при этом рабочая зона представляет собой сферу с переменным радиусом.
Манипуляторы приводятся в действие приводами, которые включают двигатель и устройство управления им. Кроме того, в состав привода входят механизмы для передачи и преобразования движения, в частности механизм преобразования вращательного движения в поступательное.
Важным моментом функционирования манипуляционной системы вообще и манипуляционной системы мобильного робота, в частности, является проблема уравновешивания рабочего органа. Назначение системы уравновешивания - статическая разгрузка приводов от веса элементов конструкции и полезного груза, что способствует значительной экономии энергии при статических режимах функционирования манипулятора. Из двух возможных вариантов уравновешивания, активное и пассивное, в мобильных колесных робота, вследствие ограничения на энергоресурсы, в большей степени используется второй вариант. При этом уравновешивание с помощью пружин ведет к изменению динамических характеристик манипуляторов, в частности увеличивает опасность возникновения механического резонанса при перемещениях рабочего органа. Уравновешивание с помощью дополнительных масс, размещаемых на звеньях манипуляторов, увеличивает общую массу робота. Поэтому наиболее целесообразно в манипуляторах мобильных роботов использовать пассивное уравновешивание с помощью элементов конструкции самого манипулятора, например, с помощью двигателей используемых приводов. Другой возможностью уравновешивания конструкции является применение самотормозящихся передач (винтовых пар, червячных редукторов и т.п.).
Система технического зрения Система технического зрения представляет собой, как правило, телекамеру, основной задачей которой является обзор окружающего пространства (рис. 1.5). Наиболее распространенным вариантом систем технического зрения является вариант, в котором ТВ-камера помещается на дополнительную платформу, которая с помощью привода может менять ориентацию главной оптической оси камеры в пространстве. Включение в структуру ТВ-камеры простейшего блока управления сканированием резко повышает функциональные возможности процесса мониторинга за счет введения обратной связи по сигналу изображения. Как правило, приводы телекамеры работают в облегченных режимах, близких к режимам холостого хода, тем не менее, имеют вполне определенный расход энергии. Введение процессора для обработки изображений повышает расход электроэнергии, что при автономной работе мобильного робота является существенным фактором, ограничивающим практическое их применение.
Манипулятор с тремя линейными двигателями как стержневая конструкция
Из предыдущего раздела следует, что для оценки пространственного положения рабочего органа необходимо найти зависимости, связывающие управляющие параметры, например длины линейных приводов, приводящих в движение рабочий орган, с координатами рабочего органа в связанной и/или земной системе координат.
В целом манипулятор может быть представлен в виде двух крупных узлов: штанги, опирающейся в основании на двухстепенной шарнир и приводимой в движение с помощью двух линейных приводов, и коромысла, прикрепленного к концу штанги с помощью шарнира с одной степенью свободы, приводимого в движение третьим линейным приводом. Общая кинематическая схема манипулятора приведена на рис. 2.3. штанга 1, укрепленная в шарнире Д имеющем две вращательные степени свободы: в плоскости А Ъ ив плоскости DGH; инейные приводы 2, 3, шарнирно в точках А и В прикрепленные к платформе и в точке С прикрепленные к штанге; коромысло 4, шарниром G с одной степенью свободы прикрепленное к концу штанги 1, причем вращение коромысла в шарнире G осуществляется также в плоскости DGH; линейный привод 5, закрепленный в шарнирах/)иЯк основанию штанги и концу коромысла, причем каждый из шарниров имеет одну степень свободы, обеспечивающую вращение в плоскости DGH.
Плоскость ABD расположения шарниров А, В и D расположена под углом а к плоскости платформы МКР, что позволяет использовать максимально использовать нагрузочные характеристики линейных приводов 2 и 3 за счет того, что они создают усилие в шарнире С в направлении, близком к ортогональному к штанге 1 в широком диапазоне углов поворота штанги 1 в плоскости DGH. Кроме того, подобное расположение шарниров позволяет исключить появление «мертвых зон» при складывании манипулятора в походное положение (рис. 2.4).
При складывании манипулятора в походное положение между плоскостью ABC, в которой формируются тянущие усилия линейных приводов, и штангой 1 остается угол ЕСЕ , достаточный для формирования момента, обеспечивающего развертывание манипулятора и приведение его в рабочее состояние. Расположение шарнира С крепления линейных приводов 2, 3 и шарнира G крепления коромысла 4 к штанге по разные стороны от шарнира D позволяет, во-первых, частично разгрузить линейные приводы 2, 3 в статическом режиме за счет балансировки штанги, а во вторых, разместить линейные приводы внутри платформы МКР, защитив таким образом их, а также шарниры А, В, С от воздействия окружающей среды.
Аналогичное техническое решение применено и для обеспечения качания коромысла 4 относительно штанги 1. Здесь шарнир Н крепления линейного привода 5 и точка К крепления рабочего органа манипулятора расположены по разные стороны от шарнира G, что, в совокупности с действием массы линейного привода 5 позволяет сбалансировать коромысло 4 при отсутствии полезной нагрузки. Кроме того, при складывании манипулятора между коромыслом 4 и линейным приводом 5 остается угол DHG, достаточный для создания момента, разворачивающего коромысло 4 в рабочее состояние.
Для формирования полной системы кинематических соотношений рассмотрим по отдельности два узла: узел приведения в движение штанги манипулятора и узел приведения в движение коромысла. приведения в движение штанги манипулятора
Рассмотрим стержневую модель узла приведения в движение штанги манипулятора, включающего штангу 1 с шарнирами D и С, а также линейные приводы 2, 3 с шарнирами в точках А и В (рис. 2.5 а).
Для удобства рассмотрим только часть CD штанги 1, а саму конструкцию представим развернутой на 180 относительно оси DE, причем будем считать плоскость ABD горизонтальной. Все стержни конструкции будем считать жесткими, негнущимися. Стержень DC будем считать несжимаемым, а стержни ВС и АС имеющими переменную управляемую длину, обеспечиваемую ходами штоков линейных приводов 2 и 3, соответственно. Люфты в шарнирах А, В, С, D считаются пренебрежимо малыми.
Быстродействие датчиков продольного движения мобильного колесного робота
Одним из важных каналов обеспечения заданного пространственного положения рабочего органа манипулятора является канал продольного движения. Этот канал подключается в тех случаях, когда объект воздействия манипулятора расположен вне его рабочей зоны. При продольном движении робот перемещается по координате х ипо углу курса у/. При определении динамических характеристик информационно-измерительной системы необходим учета быстродействия датчиков измерения и этих каналов. Кинематическая схема продольного движения многоопорного колесного робота приведена на рис. 3.15. Система уравнений, описывающая плоское движение мобильного колесного робота в земной системе координат, имеет вид: где rjri,riii, - коэффициенты сопротивления /-й опоры правого и левого ряда опор, соответственно; Р - давление, которое робот оказывает на грунт; khi, кщ -коэффициенты сухого трения катящегося колеса /-й опоры правого и левого ряда опор, соответственно; кігі, к2ц - коэффициенты сухого трения скользящего колеса /-й опоры правого и левого ряда опор, соответственно; к - наибольший номер опоры, расположенной перед центром масс (с положительной координатой по оси х1);М- масса робота. Кроме того, система (3.69) должна быть дополнена выражениями, учитывающими распределение нагрузки на оси транспортного средства по правому и левому бортам, соответственно: где ф\г, фіг, фи, фи - некоторые функции от дискретного аргумента /.
Если мобильный колесный робот является абсолютно симметричным, то в третьем уравнении системы (3.69) все воздействия по правому и левому бортам, кроме воздействий &2rlA/g cos # sign xLy sin a, &2nA/g-cos $ sign xLy sin or, Если сила трения скольжения по координате у такова, что исключается юз робота по этой координате, то второе уравнение может быть исключено из рассмотрения, как тождественно равное нулю. Кроме того, это позволяет в третьем уравнении системы (3.80) исключить члены (&2п + k2U)Mgcos3Lx4 и i=k+\ транспортного средства относительно оси Oz. Кроме того, при упрощениях следует допустить, что моменты сопротивления на направляющих колесах направлены в противоположную сторону скорости движения. С учетом дополнительных допущений, для малых углов система (3.69) представляется в виде одномерной модели где ,- координата, направленная вдоль траектории движения робота; Уравнение (3.71) в операторной форме принимает вид Отметим, что при описании плоского движения робота, в уравнение (3.87) введен член, зависящий от угла места, который оказывает влияние на динамику датчиков сенсорной системы.
Выражение (3.87) показывает, что реакция транспортного средства на поворот направляющих колес, изменение угла места и изменение движущей силы соответствует реакции апериодического звена. 1. Исследован двухзвенный манипулятор, расположенный на подрессоренном основании, как стержневая конструкция, получены динамические выражения, описывающие подрессоренную платформу и такие звенья манипулятора, как штанга 1, линейные приводы 2, 3, 5, коромысло 4. Показано, что система уравнений является достаточно сложной для анализа и сделан вывод о необходимости использования принципа раздельных движений для анализа динамики датчиков сенсорной системы. 2. В плане реализации принципа раздельных движений проведен анализ вертикальных линейных колебаний платформы и показано, что динамика колебаний определяется массой платформы и массой установленных на нее подвижных частей, причем на колебания движущегося в продольном направлении робота оказывает также влияние дорога, как случайный фактор. 3. Проведен анализ и сформированы математические модели продольных угловых (угол места) и поперечных угловых (угол крена) колебаний робота под воздействием линейных приводов 2 и 3, а также линейного привода 5. Показано, что динамика объекта измерения описывается дифференциальным уравнением четвертого порядка, коэффициенты которого определяются массогаба ритными характеристиками платформы и звеньев манипулятора, а также ориентацией штанги 1 в пространстве. 4. Разработана общая математическая модель линейных приводов 2, 3, 5, учитывающая параметры нагрузки. Показано, что быстродействие каналов измерения состояния линейных приводов зависит от параметров нагрузки. 5. Разработана математическая модель продольного движения робота, как одного из каналов, обеспечивающих пространственное позиционирование рабочего органа. 111 Проектирование информационно-измерительных систем мобильных колесных роботов является сложным процессом, эффективность которого определяется рядом факторов, в том числе и конструкцией самого робота, как объекта измерения и управления, требованиями технического задания к его параметрам, требованиями к условиям его эксплуатации и т.п. В то же время любое конструктивное решение связано со вполне определенными затратами вычислительных ресурсов, которые, как правило, возрастают при увеличении сложности изделия и расширении его потребительских свойств.
Поэтому на этапе проектирования целесообразно определиться с характеристиками существующей материальной части робота, в частности, с его кинематической схемой и возможностями механики по реализации границ рабочей зоны; с динамическими режимами работы мобильного робота; с типом датчиков, которые планируется для использования в информационно-измерительной и управляющей системе; с реализаций управляющей подсистемы.
Датчики, применяемые в сенсорной подсистеме информационно-измерительной системы
Из всех возможных типов измерителей линейных перемещений в системе рекомендовано применить тросиковые датчики, как наиболее простые, надежные и обеспечивающие требуемую точность измерений. Конструкция датчика с тросиковым приводом показана на рис. 4.13.
Различные варианты конструктивного исполнения датчиков позволяют выбрать тип датчика для установки его в конструкцию манипуляционной системы мобильного робота. Параметры изображенных на рис. 4.14 датчиков сведены в табл. 4.1.
Концевой выключатель используется для идентификации перевода мани-пуляционной системы мобильного колесного робота в походное состояние. Этот режим является предельным, как при установлении угла Эо, так и при установлении угла &2- Ввиду повышенного значения коэффициентов влияния в данных точках, а следовательно опасности возникновения аварийных релшмов, датчик целесообразно делать простейшим.
Простейшим, в данном случае, является прибор, разрывающий или устанавливающий гальваническую связь в электрической цепи, т.е. концевой выключатель. чаются в схему ограничения положения штанги 1 или коромысла 4, приводимых в движение линейными приводами 2, 3 или 5, соответственно (рис. 4.16). На этом рисунке пара диодов VD1 и VD2 в совокупности с концевыми выключателями S1 и S2 при обоих замкнутых выключателях позволяет подавать на якорь двигателя постоянного тока М от бортового аккумулятора Е+, Е" двухпо-лярный сигнал, формируемый с помощью усилителя DA управляющей подсистемы, а при одном замкнутом выключателе напряжение той полярности, которая позволяет перемещаться линейному приводу в направлении, противоположном направлению перемещения, при котором сработал соответствующий концевой выключатель.
Схема, приведенная на рис. 4.17, реализует т.н. «мягкий упор» и позволяет напрямую отключать двигатели постоянного тока линейных приводов.
Таким образом, сенсорная подсистема, обеспечивающая номинальные режимы функционирования манипуляционной системы мобильного колесного робота, а также требуемую точность, вполне реализуемы в рамках существующей на сегодняшний день элементной и схемотехнической базы.
Динамика переходных процессов в объекте измерения и управления оказывает существенное влияние на требования, предъявляемые к датчиком сенсорной подсистемы. Возникновение динамической ошибки во время переходного процесса, в особенности в манипуляционной системе мобильного колесного робота, где отсутствует прямой доступ к измерению регулируемого параметра (пространственное положение точки К размещения рабочего органа), приводит к тому, что отклонения от переходных процессов, особенно вблизи критических точек пространства, описанных в предыдущем подразделе, может быть существенным. Поэтому на этапе проектирования информационно-измерительной и управляющей системы необходима оценка переходных процессов в системе и ошибки переходных процессов, вызванной спецификой конструктивного исполнения манипуляционной системы.
Результаты расчета динамических режимов работы датчиков приведены на рис. 4.17 - 4.26. Переходные процессы нормированы и приведены к единице. Входным воздействием в систему являлся единичный сигнал, подаваемый на вход двигателя привода. Выходной величиной являлась координата z% рабочего органа.
Постоянная времени колебательного звена определяется динамическими свойствами платформы как подрессоренной массы. На рис. 4.17-4.19 она принималась равной единице, при этом постоянная времени привода г, определяемая, в основном массой подвижных частей манипулятора, бралась как доля от постоянной времени Г подрессоренной платформы. На рис. 4.20 - 4.21 за единицу считалась постоянная времени г привода, а постоянная времени подрессоренной платформы Т бралась как доля от т.
Такой параметр объекта измерения и управления, как декремент затухания и, определяет перерегулирование в объекте. Он определяется диссипатив-ными силами, действующими в механике робота. В данном конкретном случае этот параметр определяется вязким трением в демпферах подвески гусеничных движителей, или в пневматических шинах колесных движителей. При анализе переходных процессов декремент затухания менялся, что показано на рис. 4.17 - 4.19 от рисунка к рисунку, и совмещено на рис. 4.20 и рис. 4.21. На рис. 4.17 - 4.21 показаны переходные процессы в рабочей точке в начале продольного движения, при наличии продольного ускорения. Ошибка возникает за счет формирования опрокидывающего момента, вызывающего продольные угловые колебания подрессоренной платформы. Амплитуда ошибки определяется соотношением момента инерции платформы с установленной ма-нипуляционной системы и ускорения, развиваемого системой передвижения.
Параметры при расчетах брались теми же, что и при расчетах переходных процессов. На рис. 4.22 - 4.24 постоянная времени собственных колебаний платформы Т принималась равной единице, а постоянная времени привода продольного движения т бралась как доля от постоянной времени Т подрессоренной платформы. На рис. 4.25 - 4.26 за единицу считалась постоянная времени г привода, а постоянная времени подрессоренной платформы Т бралась как доля от т.
