Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Тенденции применения роботизированных машин в сельском хозяйстве 11
1.2 Анализ состояния проблем применения роботизированных систем в сельском хозяйстве 16
1.3 Трудности на пути создания шагающих машин 18
1.4 Классификация, состояние и перспективы развития шагающих машин 22
1.5 Применение шагающих машин 22
1.6. Выводы по главе 1 24
2. Теоретические основы движения многоопорной шагающей машины, пути улучшения плавности и равномерности движения.
2.1. Конструкции шагающих машин 27
2.2 Рабочее пространство опоры. 33
2.3 Кинематика опоры 36
2.3.1 Обратная кинематика опоры 37
2.3.2 Прямая кинематика опоры 39
2.3.3. Другие способы задания движения 39
2.4 Система координат шагающей машины 40
2.5 Движение шагающей машины 41
2.6 Определение касания опоры с поверхностью 60
2.7 Определение крутящего момента приводов шагающей машины 61
2.8 Компенсация отклонения позиционирование опоры при приближении к заданной координате позиционирования 66
2.9 Система автоматического управления движением 68
2.10 Адаптивное движение шагающей платформы.
2.11 Параметры контроля за движением
2.12 Взаимодействие стоп с грунтом
3. Экспериментальные исследования движения шагающей машины
3.1 Устройство для экспериментов 77
3.2. Управление сервомотором 80
3.3 Обмен данными между контроллером и ЭВМ 81
3.4 Обратная связь 82
3.5 Исследование параметров сервопривода 84
3.6 Движение шагающей платформы, касание с поверхностью опоры 85
3.7 Определение неровностей перед роботизированной машиной 89
3.8 Надежность сервоприводов 92
3.9 Система управления движением шагающей машины 96
4. Результаты исследования
4.1 Рекомендации по улучшению конструкции
4.2 Общие выводы
Список литературы приложения 110
- Анализ состояния проблем применения роботизированных систем в сельском хозяйстве
- Рабочее пространство опоры.
- Компенсация отклонения позиционирование опоры при приближении к заданной координате позиционирования
- Движение шагающей платформы, касание с поверхностью опоры
Введение к работе
Актуальность работы. Важными направлениями развития сельского хозяйства является научно-технический прогресс и инновационные процессы, позволяющие непрерывно обновлять производство на основе освоения передовых достижений науки и техники. Одно из эффективных высокотехнологичных направлений развития сельского хозяйства является применение роботизированных систем для производства продукции растениеводства и животноводства. Эффективность роботизированных систем для производства продукции сельского хозяйства заключается не только в известных преимуществах автоматизации индустриального производства, но и в достижении технологического эффекта путем создания наиболее благоприятных условий для биологических объектов в растениеводстве и животноводстве. Как правило, роботизируется процессы и операции, которые требуют больших затрат ручного труда или опасны для здоровья персонала. Примером таких процессов является возделывание сельскохозяйственных и декоративных культур в условиях защищенного грунта. Специфика размещения растений и условий их выращивания зачастую не дает возможности полноценно использовать ручной труд, а в ряде случаев присутствие человека в теплице подвергает опасности выращивания растения из-за вероятности бактериального и грибкового заражения. Снизить вероятность ухудшения качества урожая из-за болезней растений можно за счет своевременного выявления очагов поражения и оперативного их устранения на ранней стадии при помощи роботизированных машин.
Цель работы – обоснование параметров и режимов движения роботизированной машины с дискретным колееобразованием.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:
-
Анализ научных предпосылок и тенденций развития электромеханических средств с дискретным колееобразованием.
-
Разработка математической модели движения электромеханического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения по неровной поверхности.
-
Разработка модели электромеханического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения по неровной поверхности.
-
Оценка экономической эффективности созданных электромеханических и программных средств.
Объекты исследования: модель электромеханического средства с дискретным колееобразованием.
Методы исследования Решение поставленных задач проведено с использованием системного и математического анализа, математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования, программирования с применением средств микропроцессорной и компьютерной техники. Используемые программы: AVR Studio 4, Apple Xcode 4.6, Microsoft Office Excel 2011, Компас 3D v.11.
Научная новизна Выполненные исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов, заключающихся в разработке:
алгоритмов движения механического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения;
математической модели движения электромеханического средства с дискретным колееобразованием;
электротехнических и программных средств для устойчивого движения для электромеханического средства с дискретным колееобразованием.
Практическая ценность. Разработано новое электротехническое средство с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения. А также программные средства позволяющие моделировать и анализировать движение по неровной поверхности.
Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований внедрены в производство и используются в учебном процессе МГАУ имени В.П. Горячкина.
На защиту выносятся:
методика определения параметров и режимов движения шагающей машины.
алгоритмы движения механического средства с дискретным колееобразованием со стабилизацией движения и без;
математическая модель движения электромеханического средства с дискретным колееобразованием;
комплект электротехнических и программных средств.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на: международной научно-практической конференции посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ «Научные проблемы автомобильного транспорта» (г. Москва, 20-21 мая 2010 года); первой всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса» (г. Магадан, Северо-восточный Государственный Университет, 29-30 ноября 2010); международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве» (Москва, МГАУ, 12-13 мая 2011 года), 10-й международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (г. Оренбург, ОГУ, 25-27 октября 2011 года); Международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве» (Москва, МГАУ, 20-22 февраля 2012 года); Международной научно-практической конференции «Инновационные агроинженерные технологии в сельском хозяйстве» (Москва, МГАУ, 8-9 ноября 2012 года); Международный форум «Открытые инновации» (Москва, Экспоцентр, 29 октября – 1 ноября 2012).
Публикации.
Основные теоретические положения и результаты исследования опубликованы в 8 научных работах, в том числе 3 в журналах рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 118 наименований, изложена на 132 страницах, включая 79 рисунков и 11 таблиц.
Анализ состояния проблем применения роботизированных систем в сельском хозяйстве
Анализ применения роботов в сельском хозяйстве показал, что применяется преимущественно колесный или гусеничный движитель. Такие движители просты как в производстве, так и в применении. Но они имеют недостатки перед применением шагающего движителя. Каждый тип движителя применим для своей конкретной задачи. Колеса и гусеницы являются предпочтительными, но в условиях неровной поверхности преимущество колесных и гусеничных средств снижается. [26] При движении в сложных условиях шагающие машины с компьютерным управлением могут быть более эффективными в сравнении с традиционными колесными и гусеничными транспортными средствами. Шагающие машины привлекательны тем, что они способны передвигаться на местности, неровности которой соизмеримы с размером всей машины. В то время как гусеничные и колесные средства передвижения могут преодолевать препятствия меньше, чем половина диаметра их колес. Кроме того, шагающие машины, благодаря маневренности ее опор, способны передвигаться по крутым склонам. Одним из основных не достатков шагающих машин является их невысокие скорости передвижения, динамические колебания корпуса машины во время движения и сложность алгоритмов управления. Такие машины применимы в различных отраслях: добыча, разведка, военное применение, спасательные работы, работа в загрязненной или стерильной среде. При установке соответствующего оборудования возможно применение для обнаружения разрывов в телекоммуникационных линиях, проложенных под землей в местностях со сложным ландшафтом. Возможно применение на посевных площадях для точного мониторинга состояния выращиваемой культуры и о факторах негативно влияющих на рост и развитие растений (сорные растения, вредители, болезни). В этой области робот имеет преимущество перед колесными и гусеничными роботами, пос кольку контактирует с землей в отдельных точках и не наносит вред сельскохозяйственным растениям. Применение для мониторинга и ухода за сельскохозяйственными культурами, произрастающими в трудных ландшафтных условиях (выращивание риса на заливных лугах). Шагающий робот не наносит вреда растениям. При некоторой модернизации конечностей он способен иметь хорошую проходимость в конкретном типе ландшафта [29]. Перспективно использование машин с шагающими движителями при внедрении новых почвосберегающих технологий сельском хозяйстве [40, 41, 42, 43, 44].
Шагающие машины благодаря дискретному и близкому к статическому взаимодействию стоп с грунтом, практически не разрушают почвенный покров. Одной из важнейших сложностей современных шагающих машин является создание эффективных методов, моделей и алгоритмов для решения задач движения шагающей платформы. Шагающая платформа представляет собой сложный пространственный механизм с множеством степеней подвижности, позволяющий платформе выполнять разнообразные движения, а также обеспечивать ее устойчивость. Конструктивно шагающая платформа состоит из основных узлов: несущих конструкций, приводов, электронной исполнительной и вычислительной части. Опора платформы состоит из со вокупности подвижно соединенных звеньев и служит для ее подъема над поверхностью земли, а также для движения и выполнения задач, поставленных оператором (перемещение грунта и предметов, внесение удобрений и пр .). Опора платформы является многофункциональным инструментом, которая способна выполнять как функцию движителя, так и функцию рабочего органа. Важнейшей задачей современной робототехники является создание более совершенных систем управления, что требует, прежде всего, развития исследований в области кинематики, механики, математики, электротехники и цифровой электроники. При этом возникающие задачи можно свести к трем основным задачам робототехники: механике, электронике и математике управления автоматическим движением. Задачи механики изучены довольно глубоко. Поэтому для ее решения непосредственно для шагающих платформ целесообразно применять уже известные подходы и решения. Задачи электроники сложнее механики. Необходимо учитывать ряд факторов такие как: стоимость и функциональность элементов электрических схем, надежность, ремонтопригодность, простота применения и пр . Выбор электронных вычислительных систем должен обеспечивать необходимую производительность с минимальным энергопотреблением. В тоже время, обеспечивая достаточную функциональность и расширяемость за минимальную стоимость. Разработка методов математического моделирования, кинематического синтеза и анализа движений опор, шагающих платформ, является первоочередной научной задачей. Вместе с тем, сложность механической системы манипулятора, а также ряд существенных особенностей, присущих роботу как объекту управления (упругая податливость звеньев и передаточных механизмов, взаимовлияние степеней подвижности, неоднозначность решения некоторых задач, наличие ограничений различного рода и др.) з ачастую приводит к чрезвычайной сложности получаемых моделей, что затрудняет решение многих задач механики роботов. В связи с этим весьма актуальным является поиск новых методов и подходов к построению более компактных и удобных решений [30].
Система управления приводами шагающих машин должна обеспечивать планирование траектории движения выходного звена с учетом внешних связей, необходимости обхода особых положений или алгоритм управления, позволяющий вывести из особого положения и не допустить потери управляемости. Любое механическое транспортное средство для движения по местности должна быть оборудована движителями. Условно движители можно разделить на: Вращающиеся движители: колеса, гусеницы. Шагающие движители: опоры-ноги подобные живым существам. Сочлененные движители, похожие на тело змеи Первое исследование движения шагающих машин было сделано Эдвардом Мейбриждем (Eadweard Muybridge) в 1887 году [56]. Исследование было основано на серии последовательных фотографий, которые показали способы передвижения животных. Это исследование было проведено задолго до появления кинокамер. Адольф Эрлих (1928) предложил применить механические опоры для движения транспортных средств, которые, на первый взгляд, не производили должного впечатления в выгоде применения данного механического решения. Первые образцы шагающих машин привлекли общественное и научное внимание. Передвижение шагающих машин по неровной и заранее не известной поверхности требует сложной системы управления движением. Данная работа направлена на исследования нового направления в системах управления машинами. Очевидно, что движение роботов с традиционной конструкцией и линейным программным обеспечением может быть заимствовано у живых существ. Главным достоинством движения шаганием является способность переносить собственный вес с одной опоры на другую, что является главным в эффективной ходьбе. Шагающие машины могут применяться для транспортировки грузов. В случае, когда габариты и массы г руза значительно превышает грузоподъемность одной платформы, выгодно использовать в качестве транспортного средства группу шагающих платформ, объеденную единой целевой задачей в комплекс. Шагающие машины можно разделить на две основные группы: статически устойчивые динамически устойчивые Статически устойчивые – машины, которые сохраняют устойчивость даже после внезапного отключения электропитания. Примером таких машин служат многоопорные шагающие машины циклового типа Чернышева В.В. [1]. Динамически устойчивые машины больше подходят для быстрого движения и требуют постоянного электропитания для поддержания машины в устойчивом положении. Для шагающих машин необходимо минимум три точки опоры, а это значит, что для движения необходимо иметь, по крайней мере, ч етыре опоры.
Рабочее пространство опоры.
Для понимания того, как платформа должна двигаться и какие алгоритмы движения использовать для движения, необходимо рассмотреть рабочее пространство опоры. Рабочее пространство определяется двумя факторами: длинами рычагов и угловыми диапазонами поворота сервомотора. Применяемый на опытной модели сервомотор имеет угол поворота 0…135. Были рассмотрены несколько вариантов установки сервомоторов с разным начальным угловым положением. Анализ показал, каким образом меняется рабочее пространство опоры при изменении начального и конечного положения рычагов [3]. Установим среднее положение сервомоторов в положение, когда опора вытянута в линию и занимает положение параллельно поверхности земли рис. 2.9. На рисунке заштрихованная область – это область координат положения стопы опоры, которая не применима для передвижения опоры [64]. Из данного рисунка следует, что начальное и конечные значения поворота сервопривода не отвечают требованиям: Обеспечить максимальный и нулевой подъем платформы над поверхностью земли Размер рабочей зоны опоры должен быть максимального размера. Поэтому поменяем положение рычага 2. Он должен иметь диапазон значений –90..45. Тогда рабочее пространство примет следующий вид показанный на рис 2.10. В процессе движения платформы необходимо многократно решать прямую и обратную задачи кинематики. Задача прямой кинематики может быть решена множеством способов с применением различных систем отсчета и систем координат. Одним из простых способов решения прямой кинематики это перенос и поворот системы координат при помощи матриц. Такой подход во многих математических микропроцессорах реализован на аппаратном уровне, что увеличивает количество вычислений за единицу времени и снижает энергозатраты. Прямая кинематика позволяет определить характеристики рабочего пространства и точность позиционирования кончика опоры [101, 102]. Обратная задача о положении манипулятора более сложная, чем прямая и нередко имеет множество решений. Во многих случаях ее эффективно можно решить только численно. Общие теоретические подходы к решению таких задач рассмотрены в [17, 85, 86] При проведении расчетов в реальном времени на современных процессорах нужно учитывать ряд аппаратных особенностей вычислительной техники. Одной из такой особенности является точность вычисления чисел с плавающей точкой.
Поскольку матричные преобразования интегрируют неточности расчетов, в некоторых случаях необходимо вводить коррекцию ошибок операций с вещественными числами. 2.3.1 Обратная кинематика опоры Обратная кинематика для опоры вычисляется геометрическим способом. Точка кончика опоры задается тремя координатами в пространстве D(x, y, z). Для опоры с четырьмя неизвестными углами имеется множество решений. Для обычного движения используются только три степени свободы, поэтому существует конечное число решений рис.2.14. Параметры опоры: ZpA = 60 мм; AB = 45 мм; BC = 85 мм CD = 160 мм. Задача определить углы , и при = 0. Известно, что для опоры с четырьмя степенями свободы имеется множество решений позиционирования для конкретно заданной координаты пространства. Чтобы решить эту задачу моделирования позиционирования, применен метод прямой кинематики. Данный метод определяет координату установки опоры по заранее заданным угла м , , и . Данная функция применяется для моделирования положения платформы по обратной связи и для управления опорой с применением всех 4-х степеней свободы. (2.18) Где M - результирующая матрица переноса и поворота. Функция/(а, /?, у, 8) возвращает координату точки опоры по углам. Она определена как последовательное умножение матриц переноса и поворота координаты точки [3, 19, 35]. 2.3.3. Другие способы задания движения Еще одним способом определения углов а, (3,8 и у опоры является размещение памяти вычислительного устройства всех возможных координат. Известно, что один механизм имеет 256 возможных положений. Для хранения всех возможных решений потребуется 2564 (4 294 967 296) переменных. Такой объем данных хранить не рационально. Поэтому следует рассмотреть два способа определения углов: заранее заданное движение и динамически определяемое движение. Заранее заданное движение определяется путем задания углов установки опоры во времени. В ручно м режиме для каждого момента времени определяется положение углов сервомоторов опоры, которые заносится в таблицу. По команде эта таблица передается управляющей программе, и она по отметкам времени выставляет углы опоры, тем самым повторяя заранее заданное движение. Данное движение просто запрограммировать, но также следует учитывать, что подобные движения применимы только в идеальных условиях.[57] Динамически определяемое движение опоры сложнее заранее заданного и не имеет фиксированной траектории. Данное движение формируется по трем параметрам: положение в данный момент, целевое положение и динамика движения от положения в данный момент к целевому положению. 2.4 Система координат шагающей машины Для того чтобы применять кинематику и производить дальнейшее исследование и моделирование движений робота необходимо определить положение и ориентацию точек отсчета. Каждая опора имеет свою систему координат в точках крепления опор к корпусу.
Для перехода от главной системы координат к системе координат опоры применяется математический метод умножения координаты на матрицу переноса, рис.2.15. Это дает возможность применять одинаковые математические преобразования для определения углов установки сервомоторов для любой опоры по координате XYZ. Движение корпуса шагающей машины происходит под действием подвижных опор. Неравномерность передвижения обуславливается силами инерции, возникающие при ускорении движения опор . Кинематические возмущения, передаваемые корпусу машины, созданные шагающими движителями, передаются через упругие и подвижные соединения частей опор. Характер возмущений определяется математической моделью их движения. Для шагающих машин основным режимом движения является маршевый режим, для которого характерно поступательное движение по слабонесущей поверхности с уклонами и неровностями. Требуемые движения звен ьев механизмов шагания можно обеспечить программным управлением и кинематической схемой механизма. Для понимания характера движения опор механизма необходимо рассмотреть движение механизмов в динамике: длину шага и поворот машины за один шаг. Эти две величины взаимосвязаны и ограничивают величину друг друга из-за ограничений рабочего пространства опор. Генерация управляющих сигналов для движения платформы состоит из моделей перемещения опор при ходьбе или беге, что является основной проблемой для шагающих машин, поскольку имеется большое количество степеней свободы. Генерация движения шагающих машин исследовались в течении многих лет и существуют различные подходы к этой проблеме: жестко запрограммированные и адаптивные. Жестко запрограммированные движения машины имеют генератор движения, приспособленный к определенной, заранее заданной модели окружающей среды. Примером такой среды может служить ровная поверхность пола по которому передвигается платформа. Такой алгоритм движения не справится с препятствиями на пути движения и потребует программирования для каждого отдельного случая [14]. Адаптивная генерация движения обусловлена вычислениями в режиме реального времени с контролированием множества параметров, таких как устойчивое положение, высота подъема над поверхностью, положение опор в пространстве, стабилизация движения и пр. Как правило, синтез простых движений основан на кинематической модели.
Компенсация отклонения позиционирование опоры при приближении к заданной координате позиционирования
Метод прямой или обратной кинематики дает нам возможность определять углы установки приводов опор и определять координату кончика опоры в пространстве. В случае же, когда имеется внешняя сила, действующая на опору, появляется отклонение от заданной точки позиционирования. Это происходит из -за автоматической системы управления приводом. Автоматическая система рассмотрена на рис. 2.38. Электрическая схема сервомотора состоит из генератора опорного импульса (ГОП), к которому подключен потенциометр обратной связи R, компаратора (К), устройства выборки-хранения (УВХ) и силового моста, в диагональ которого включен электромотор (М) (базы транзисторов-ключей объединены условно) [13]. При приближении величины управляющего сигнала к величине сигнала обратной связи ток текущий через мотор уменьшается, следовательно, чем ближе опора находится к заданной координате, тем меньший момент развивает привод. Современные возможности вычислительных машин позволяют создать систему компенсации влияния внешней силы. На рисунке 2.39 опора устанавливается в точку Dзад.. Из устройства автоматической системы сервопривода видно, что автоматика снижает развиваемый момент при приближении к заданному положению управляющим сигналом. Поэтому развиваемый момент может быть недостаточен для передвижения опоры в заданную позицию. Такое явление можно наблюдать в случае, когда корпус машины приобретает крен во время движения при трех ногой походке. При опирании на единственную опору заметно явное проседание из-за недостатка развиваемого момента. Для компенсации такого явления необходимо знать отклонение положения от заданной координаты. Здесь нам поможет обратная связь по напряжению. По ней определяется отклонение Lпоз. методом прямой кинематики. Если отклонение больше величины радиуса сферы Rоткл. с центром в точке Dзад., то необходимо применить компенсацию. Для этого мы определяем разницу координат между точкой положения полученной по обратной связи и точкой заданной системой управления. Прибавим величины координаты к координате точки Dпоз. таким образом , чтобы полученная точка лежала на одной прямой проходящей через токи D и Dпоз.. Получим точку компенсации Dкомп..
Команда с новой координатой установки опоры в пространстве поступает на исполняющую ее часть электроники, опора двигается к заданной точке. Логически рассуждая величину Rоткл. следует принимать больше ширины мертвой зоны с учетом люфта в зубчатой передаче приводов. Следует отметить, что чем меньше расстояние DDпоз. тем меньше величина влияющая на управляющий сигнал. Если величина DDпоз. Rоткл., то компенсация позиционирования не применяется. Величина Rоткл. определяется экспериментальным путем и изменяется исходя из условий движения шагающей машины. 2.9 Система автоматического управления движением. Рассмотрим организацию автоматической системы передвижений опор по диаграмме ее движения показанной на рис.2.33. Движение определяет параметры корпуса и параметры опоры. Параметры корпуса: 1. Смещение системы координат – перенос системы координат на заданное расстояние по осям координат 2. Ориентация в пространстве – три угла поворота по осям системы координат 3. Направление и скорость движения 4. Способ передвижения: a.Одноногая походка – способ предвижения при котором в поднятом положении может быть только одна опора. b.Трехногая походка – способ передвижения при котором подняты три опоры. Параметры опоры: 1. Координата кончика опоры в пространстве 2. Координаты вершин изменения направления и скорости движения кончика опоры по диаграмме рис.2.39 3. Углы установки приводов и углы приводов определяемы по сигналам обратной связи 2.10. Адаптивное движение шагающей платформы Движение шагающей платформы по неровной поверхности является сложной и интересной задачей. Существуют различные подходы к решению. Их можно разделить на решения с заранее известной поверхностью по которой движется платформа и решения движения по неизвестной поверхности. Решения с заранее известной поверхностью движения базируются на создании пространственной модели поверхности по которой движется платформа. [14, 48, 60] Адаптивное движение рассмотрено в работах [46,49]. Шагание машины основано на переносе веса машины с одних опор на другие. Поэтому главной задачей во время движения является определение момента времени соприкосновения опоры с поверхностью земли. А также определение момента времени когда опора достаточно нагружена весом всей машины, и способна удерживать вес. Движение платформы может быть реализовано с помощью датчиков касания с поверхностью. В первом прототипе робота , было исследованы различные типы датчиков. Механические кнопки в точках соприкосновения с поверхностью земли оказались малоэффективными в виду того, что направление действия силы на кнопку должно быть строго определенным. Если силу приложить под углом, то кнопка срабатывать не будет. Увеличение числа кнопок срабатывающих под разными углами оказались тоже малоэффективными, поскольку само срабатывание датчика происходило неравномерно. Каждый конкретный угол действия силы на датчик требовал разную величину усилия. Поэтому такой тип датчика можно считать эффективным с ограничениями.
Б олее рациональным решением является применения аналогового датчика усилия в точке касания с поверхностью [46,48]. Работа т акого датчика основана на изменении сопротивления материала при изменении механической нагрузки на него. Сигнал от такого датчика зависит от направления действия нагрузки. Поэтому такой способ определения касания с поверхностью является тоже малоэффективным. Решением может быть комплексное применение двух типов датчиков, как дискретных, так и аналоговых. Исходя из вышеизложенного, следует применить модель управления с использованием системы с двойной обратной связью, позволяющую определять реальное положение опор в пространстве и оценивать развиваемое ими усилие. Такая модель управления обеспечит надежный контроль за движением и будет имееть преимущество перед существующими аналогами шагающих роботов с электроприводом. Преимущества: определение столкновения опоры с препятствием; удерживание равновесия и ориентации корпуса при проседании грунта под опорой; определение неисправностей привод а (повышенный расход энергии, превышение предела точности позиционирования); контроль за развиваемым усилием; контроль над скоростью и ускорением движения привода. Недостатки: сложность алгоритма управления большое количество датчиков и соединяющие их проводов Платформа при движении должна: Двигаться с наименьшими колебаниями корпуса Двигаться по неровной, заранее неизвестной поверхности Обеспечивать устойчивое и плавное трогание, движение, и остановку Расходовать на движение минимальное количество энергии Контролировать расход энергии и запасенное ее количество в аккумуляторе Обеспечивать легкость управления оператором Обеспечивать самостоятельное движение и выполнения задач в автоматическом режиме Определять непредвиденные ситуации и принимать решения по их устранению (застревание, проседание грунта под опорами и пр.) Существуют две основные проблемы: 1. Проблема определения точки опоры – в случае ошибочного определения точки опоры машина может потерять устойчивость и упасть. 2. Проблема статической и динамической устойчивости – в случае деформации грунта под опорами корпус должен сохранять устойчивость. В случае отказа привода корпус тоже должен сохранять устойчивость. 2.11 Параметры контроля за движением Во время движения датчики тока выдают данные о расходовании энергии. Примем токи для опоры: Ii, Ii, Ii, Ii, где i – номер опоры, рис.2.40. Напряжение питания приводов со стабилизацией по напряжению. Следует отметить, что токи 1; и 1; - токи расходуемые на удержание корпуса над поверхностью земли.
Движение шагающей платформы, касание с поверхностью опоры
Одним из важнейших параметров движения шагающей машины является определение момента времени касания опоры с поверхностью земли при шагании. Для решения данной задачи был проведен ряд экспериментов по определению наилучшего способа решения данной проблемы [79-81]. В моей публикации [63] рассмотрены особенности применения различных датчиков для определения соприкосновения опоры с поверхностью. В ходе экспериментов был выбрано наиболее оптимальное решение определять касания опор во время движения по датчику тока , рис.3.10. Потребления тока при опускании опоры на поверхности имеет как правило четыре пика. Первый пик – это ток энергия которого расходуется на разгон опоры для движения в низ. Затем ток резко падает, так как сила тяжести помогает движению. Второй пик это момент когда опора замедлила свое движение в результате соприкосновения с поверхностью. На графике показана ломаная прямая «Касание» отражающая фактическое соприкосновение опоры с поверхностью. В эксперименте под опорой была размещена алюминиевая фольга. К фольге и опоре были подключены провода от дискретного датчика контроллера шагающей машины. Показания данного датчика отражает соответствующая ломаная кривая на графике. На опоре установлена пружинящая мягкая пористая резина, которая смягчает удар . Опора в результате пружинного эффекта резины начинает двигаться обратно, в результате чего возникает третий пик. Четвертый большой пик – это ток энергия которая была израсходована на приподнимание машины, в результате чего корпус приобрел небольшой крен. После того, как приводы опоры перестали двигаться, расход энергии уменьшился. Следующий график показывает потребление энергии при очень медленном движении шагающей машины, рис.3.11. При медленном движении пики описанные выше не наблюдаются в следствии отсутствия резкого ускорения движения опоры. Из приведенных графиков видно, что пиковое потребление энергии одной опорой может достигать 4А, при напряжении питания 6 В это составляет 24 Вт пиковой потребляемой мощности. Что для шести опор может составить 144 Вт. Следует отметить, что для данной мощности брались в расчет только три привода отвечающие за поворот углов опоры , и . Расход энергии привода в расчет не брался в силу его неподвижности во время движения. В ходе обработки результатов потребления энергии, был определен оптимальный режим движения, при котором машина двигается прямо по ровной твердой поверхности за один шаг в режиме «движение» расходует 0,02 Вт энергии. В ходе расчета суммарных токов была выявлена неравномерность потребления тока опорами в следствии неравномерно распределенного груза на корпусе машины.
Для того, чтобы наглядно это продемонстрировать был проведен эксперимент в котором груз на корпусе располагался со смещением влево и назад от центра корпуса машины. Графики приведенные на рис.3.14 отражают данную ситуацию. Для оптимального определения режима движения: скорости, высоты подъема опор при шагании, скорости опускания опор на поверхность необходимо иметь представление о неровностях поверхности на пу ти движения машины. Для этого предлагается размещать датчики измерения расстояния впереди машины. Они позволят определить оптимальный режим движения опор и удерживать корпус в заданном положении, двигаясь с Для измерения расстояний были исследованы ультразвуковые, инфракрасные и лазерно-оптические датчики. Дальномер на основе ИК светодиода и ИК светоприемника миниатюрен, что позволяет его разместить на опорах и позволит автоматической системе управления адаптировать торможение опускания опоры на поверхность земли, рис.3.16. Адаптированное замедление опускание опоры непосредственно перед соприкосновением с землей даст плавность хода и уменьшит колебания корпуса возникающие в момент касания опоры с поверхностью. Недостатком данного типа датчика является особенности его эксплуатации. На ярко освещенном ИК свете от солнца или от другого слишком яркого источника датчик будет ослеплен. К тому же разные поверхности имеют разный коэффициент отражения ИК лучей. А это означает, что определение расстояния при помощи такого датчика является непростой задачей. Другим решением может быть применение ультразвукового датчика измерения дистанции. Скорость звука является почти постоянной величиной и зависит только от температуры и давления, к тому же ультразвук отражается от всех твердых поверхностей одинаково. Недостатком такого датчика является волновая природа звука. Датчик генерирует высокочастотный звуковой сигнал и измеряет время, через которое отправленный сигнал отразившись от поверхности будет получен приемником. По величине времени можно определить расстояние с точностью до нескольких миллиметров. Но звук отражается от всего подряд. Очень сложно сфокусировать его на какой-то узкий участок пространства. К тому же требуется отражающая поверхность порядка одного квадратного д ециметра для определения дистанции на расстоянии до одного метра. Меньшие поверхности дают противоречивые результаты. Частота измерений датчиком должна быть менее 20 ГЦ, т.к. на его показания начинает влиять эхо. Это затрудняет применение группы датчиков направленных в разные стороны. Применение цифровых видеокамер делает определение неровностей поверхности более точным. Стерео камера и фотограмметрия позволяют создать систему динамической системы стабилизации движения. Еще одним простым решением может быть применение лазерного луча и одной камеры, рис.3.17. Такой датчик способен определить расстояние с точностью до нескольких миллиметров на дистанции 2 метра [67]. Конечно, эта точность падает с увеличением расстояния. Но на малом расстоянии до 2 м данная система дает превосходные результаты. Несмотря на множество типов применяемых датчиков для все они имеют ограничения. Один отдельно взятый датчик не дает достаточной полноты информации для автоматической системы управления движением. Поэтому для шагающих машин необходимо применять несколько типов датчиков в комплексе. 3.8 Надежность сервоприводов При эксплуатации машин и результате изнашивания деталей и действия других факторов нарушается их работосп особность, снижается надежность, возникают отказы и повреждения. В ходе лабораторных испытаний был выявлен ряд характерных неисправностей сервомоторов возникающих в процессе эксплуатации. Неисправности можно разделить на две группы: механические неисправности и неисправности электроники. Механические неисправности и решения увеличивающие надежность:
