CC BY
216
УДК 621.865.8:629.055 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-3-17-21
УПРАВЛЕНИЕ АВТОНОМНЫМИ МОБИЛЬНЫМИ ГУСЕНИЧНЫМИ МАШИНАМИ И РОБОТАМИ В НЕФОРМАЛИЗОВАННОЙ СРЕДЕ
^NTROL OF AUTONOMOUS MOBILE TRACKED VEHICLES AND ROBOTS
IN THE NONFORMALIZED MEDIUM
© 2015 г. Н.А. Глебов, Н.М. Амин
Глебов Николай Алексеевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635)25-52-46. E-mail: [email protected]
Амин Нихад Мохаммед - аспирант, кафедра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635)25-52-46. E-mail: [email protected]
Glebov Nikolay Alexeevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Mechatronics and Hydropneumoauto-matics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-52-46. E-mail: aprim. [email protected]
Ameen Nihad Mohammed - post-graduate student, department «Mechatronics and Hydropneumoautomatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-52-46. E-mail: [email protected]
Рассмотрена задача построения систем управления движением автономных мобильных гусеничных машин и роботов в неформализованной внешней среде. Получены кинематическая и динамическая модели автономного мобильного гусеничного робота. Предложена система управления мобильными объектами в неформализованной среде с использованием лазерных каналов передачи информации, технического зрения и нейросетевого регулятора. Представлены результаты математического моделирования и экспериментальных исследований. На основании выполненных исследований показаны целесообразность и эффективность использования для управления автономными гусеничными мобильными машинами и роботами в неформализованной среде интерактивных систем, обеспечивающих дистанционное и автономное управление.
Ключевые слова: мобильная гусеничная машина; робот; кинематика; динамика; моделирование, управление.
Is examined the task of constructing control systems by the motion of autonomous mobile tracked vehicles and robots in the nonformalized environment. The kinematic and dynamic models of autonomous mobile catepillar robot are obtained. Is proposed the system of control of mobile objects in the nonformalized medium with the use of laser information circuits, technical sight and neyrosetevogo regulator. The resultsof mathematical simulation and experimental studies are represented. On the basis executed studies it is shown expediency and effectiveness of use for control of autonomous catepillar mobile machines and robots in the nonfor-malized medium of the interactive systems, which ensure remote and preset control.
Keywords: mobile tracked vehicle; robot; kinematics; dynamics; simulation, control.
Введение
Автономные мобильные гусеничные машины и роботы находят широкое применение в различных областях, как промышленной, так и непромышленной сферах. На практике подвижные объекты, такие как мобильные машины и роботы, всегда функционируют в нестационарных и неопределенных условиях. Поэтому необходимо решать проблему управления движением современных робототехнических комплексов. Для решения этой проблемы требуется провести исследования и разработать теоретические положения создания управляющих систем, которые путем адап-
тации к изменяющимся условиям внешней среды являются основой построения систем управления мобильными мехатронными и робототехническими комплексами. Достаточно большую сложность представляет формализованное описание внешней среды рабочей зоны робота, необходимое при программировании действий робота в условиях неопределенности рабочей зоны. Этим определяется высокая эффективность интерактивного супервизорного управления в период проведения нетипичных операций [1, 2]. Применение интерактивной системы позволяет обеспечить оперативную коррекцию программы движения
автоматически действующего мобильного робота, которую осуществляет человек-оператор, непосредственно наблюдающий за ходом работы. На основе выполненных исследований показана целесообразность и эффективность использования для управления мобильными роботами лазерных систем, обеспечивающих дистанционное и автономное управление [3]. При этом должна решаться задача управления движением наземного робота в неопределенных средах с обходом препятствий определенного класса [4].
Мобильная часть робота представлена гусеничным модулем с независимыми приводами, которые позволяют получать требуемые скорости движения. Двигатели правой-левой гусениц могут быть электрическими или гидравлическими. Выполнение технологических операций в автоматическом режиме осуществляется при помощи манипуляционного механизма. Прием и передача информации по лазерным каналам связи осуществляется аппаратурой.
Кинематическая и динамическая модели
Для исследования управляемости ходовой части мобильной машины и робота, выполненной на гусеничном движителе, как многомерного объекта, была разработана математическая и создана физическая модели.
Движение мобильного гусеничного объекта в координатах X, У (рис. 1) описывается кинематическими уравнениями:
Vo = гюо(1 - 'о); Vi = гю,(1 - /',);
Vе = г/2[Юо(1 - io) + Ю,(1 - /',)];
Ф = аг^ V - vi)/b;
ю = г/Ь[ю,(1 - ii) - юо(1 - 'о)];
R = Ь/2(юо(1 - 'о) + Ю'(1 - '¿)/(Ю'(1 - '') - Юо(1 - 'о)),
где v0 - скорость внешней гусеницы; V, - скорость внутренней гусеницы; vе - поступательная скорость; г - радиус ведущего колеса; ю0 и юi - угловые скорости ведущих колес; ю - угловая скорость поворота относительно центра масс; Ф - угол поворота; Ь - ширина мобильного объекта; R - радиус поворота; '0 , ', - коэффициенты скольжения внешней и внутренней гусениц.
Y
V
▲
Уе v0 w -e
' ve • ■ ф
' ю
i -►
При повороте (рис. 2) на месте или на низкой скорости центробежная сила (сила инерции) равна нулю или небольшая. При повороте на высокой скорости центробежная сила является значительной и предполагается распределенной равномерно в поперечном направлении, в связи с дополнительной силой бокового сопротивления описывается неравными треугольниками.
X
Х
Рис. 1. Схема движения мобильного гусеничного объекта на плоскости
б
Рис. 2. Силы, действующие на гусеничный движитель во время поворота
Центробежная сила равномерно распределена и предполагается равной [5]
F = 0,5FceJl; Fcent = m ф2 R,
где m - масса гусеничного мобильного объекта; l -длина гусеницы.
Боковое сопротивление создает момент сопротивления Мг, который противоположен поворотному движению транспортного средства.
Уравнения движения при повороте имеют вид:
тХв = Fo + F - Fcent sin а - Rro - Rn;
тув = Fcent c0s а- g^l;
Iz ю = Mc - Mr;
а
0
мс = b[(Fo -Rro)-(Ft -Rn)];
2
Rro =
R=
fW HmVO x — +-—
2 bR
\ /
fW HmV2 x ^
- момент инерции относительно вертикальной оси 2; Мс - момент относительно центра масс; Rro, Rri -продольные силы сопротивления; цг - коэффициент
^r;
bR
ц r;
а = arctg
ю2/
4 g^i
продольного сопротивления; а - угол скольжения; ц -коэффициент бокового сопротивления; g - ускорение силы тяжести; Ш - вес робота.
Схема динамической модели гусеничного мобильного объекта приведена на рис. 3.
Результаты моделирования движения гусеничного мобильного робота при ю0 и ю,- = 4,7 рад/с; г = 0,013 м; Ь = 0,1 м; I = 0,3 м; т = 5,0 кг; цг = 0,095; ц = 0,4
где Н - высота центра тяжести над гусеницей; показаны на рис. 4.
'1
Ve
гт>5 2
МГ
> U2
HftiB
СО
0
-> и3
fi«
Rr.
PtoOl
№>1 bfl
а
Fem ff.
»Qu« uaq
а
Я
pfe*J
FiWt
4,14!
И
M&
Mc
Л» Я»
Vy« Vi
y*
Mr
l2w —►
Рис. 3. Динамическая модель гусеничного мобильного объекта
10 8 6 4 2 0
Ye
Vxe; Vye, м/с
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
V у xe
V ye
4 6 а
8 t, c
2
4 6 б
8 t, c
Рис. 4. Результаты моделирования движения мобильного робота
2
X,; Ye, м
2
С использованием гусеничного мобильного робота АМшпо RB-Rbo-40 (рис. 5) проведены экспериментальные исследования, результаты которых приведены на рис. 6.
Рис. 5. Гусеничный мобильный робот
12 10 8 6 4 2 0
X
/
Ye
/
2 4 6 8 Г, c а
Vxe; Vye, м/с
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
.Л
2
8 Г, c
Направление движения мобильной машины или робота задается лучом лазерного задатчика, установленного на шарнирном программно-управляемом устройстве [9]. Получение информации о координатах оси мобильного робота осуществляется фотоэлектронным приемным блоком. Определение расстояния между базовой точкой и мобильным роботом, необходимое для точной ориентации лазерного задатчика, производится при помощи цифрового лазерного дальномера. Для решения задачи автономного адаптивного управления модулем движения и манипуляционным механизмом мобильного робота предлагается использовать систему управления, содер-жашую аппаратные средства захвата и анализа изображений, а также управления движением. Для захвата изображения рабочей зоны используется цифровая видеокамера, связанная с системой анализа изображений, представляющей собой комплекс программных и аппаратных средств. Система анализа изображений обрабатывает поток, поступающий с цифровой видеокамеры, и преобразует его в набор параметров, на основе которых система управления движением формирует управляющие воздействия исполнительным механизмам робота.
На рис. 7 приведена структурная схема интеллектуального управления движением гусеничного мобильного робота (а) и результаты моделирования (б). Для контроля и управления с возможностью изменения параметров в общей структуре управления движением мобильной машины или робота с целью улучшения управляемости и наблюдаемости используется нейроконтроллер МА11МА-Ь2 [10, 11].
ЧАЯНА-!.: Contfüllwl
Vr
4 6 б
Рис. 6. Результаты экспериментальных исследований
Расхождение теоретических и экспериментальных результатов исследований гусеничного мобильного робота не превышает 3,6 % для кинематической модели и 4,8 % для динамической модели.
На основании выполненных исследований показана целесообразность и эффективность использования для управления автономными гусеничными мобильными машинами и роботами в неформализованной среде интерактивных систем, обеспечивающих дистанционное и автономное управление [6, 7].
Система управления движением
Полученная математическая модель модуля движения использована при синтезе системы управления [8]. Система управления мобильными машинами и роботом выполняет следующие функции: задание траектории движения; определение расстояния от базовой точки; контроль положения в плане и профиле с учетом вращения его вокруг своей продольной оси (крена); выдачу информации о положении объекта на экран монитора; обработку сигналов положения объекта и выдачу сигналов или рекомендаций по управлению движением посредством лазерного канала связи.
MARMA-U Cc-s-Ub'l
n-
Pi m Sifli
Vo Vxe - Vx Kt Vi
iü
Vx«
Vt я
Vyt
Kiri-nsticmiiil Di-nJrriiSfnS;;il
0,3 0,2 0,1 0
Xe
r
Vxe; Vye, м/с
0,2 0,4 0,6 0,8 Г, с
0,3 0,2 0,1 0
V xe
_
Vye
0,2 0,4 0,6 0,8 Г, с
Рис. 7. Структура интеллектуальной системы управления роботом (а) и результаты моделирования (б): Vo - скорость внешней гусеницы, м/с; Vi - скорость внутренней гусеницы, м/с; Vx - поступательная скорость, м/с; <в - угловая скорость гусеничного мобильного робота (рысканья), рад/с; Я - радиус поворота, м; VI,,, Vye - скорости робота в Хе и Ye направлениях, м/с
Xe; Ye, м
а
Xe; Ye, м
Вывод
На основании выполненных исследований показана целесообразность и эффективность использования для управления автономными мобильными гусеничными машинами и роботами в условиях неопределенности внешней среды интеллектуальных систем с лазерными каналами связи и техническим зрением, обеспечивающих дистанционное и автономное управление. Результаты моделирования и экспериментальные исследования показали работоспособность и надежность регулятора на основе нейронной сети. Предложен метод построения управляющих систем, которые путем адаптации к изменяющимся условиям внешней среды являются основой создания систем управления автономными мобильными машинами и роботами.
Литература
1. Глебов Н.А. Управление движением мехатронных комплексов в неформализованной внешней среде // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. Спец. вып.: Проблемы мехатроники. С.58 - 63.
2. Глебов Н.А. Интерактивное управление мобильными робототехническими комплексами // Материалы восьмой Всерос. науч.-практ. конф. «Перспективные системы и задачи управления». Таганрог: изд-во ТТИ ЮФУ. 2013. С. 99 - 102.
3. Глебов Н.А., Притчин С.Б., Маркиянов А.А. Интерактивное управление гусеничными мобильными роботами с
использованием лазерных каналов связи // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 2. С. 23 - 27.
4. Пшихопов В.Х., Али А.С. Обход локальных минимумов функции ошибки на основе позиционно-траекторного управления при движении робота в неопределенной среде // Всерос. науч. школа «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы». Новочеркасск, 2011. С. 175 - 179.
5. Anh Tuan Le. «Modeling and Control of Tracked Vehicle», Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, University of Sydney, Australia, 1999.
6. Глебов Н.А., Притчин С.Б., Маркиянов А.А. Лазерные системы управления мобильными роботами в недетерминированных условиях // Материалы третьей Всерос. науч.-пракг. конф. «Перспективные системы и задачи управления». Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. Т. 1. С. 148 - 150.
7. Воротников С.А., Михайлов Б.Б., Ющенко А.С. Дистанционное управление адаптивными роботами // Мехатро-ника, автоматизация, управление. 2005. № 12. С. 6 - 16.
8. Барковский В.В., Захаров В.Н., Шаталов А.С. Методы синтеза систем управления. М.: Машиностроение, 1981. 162 с.
9. Глебов Н.А., Притчин С.Б. Управление движением меха-тронного тоннелепроходческого комплекса // Мехатро-ника, автоматизация, управление. 2003. № 8. С. 19 - 23.
10. Wong J.Y. «Theory of Ground Vehicles», John Wiley & Sons, third Edition 2001.
11. Ramon Gonzalez, Mirko Fiacchini, Teodoro Alamo, Jose Luis Guzman, Francisco Rodrigue. «Adaptive Control for a Mobile Robot under slip conditions», department of Systems Engineering and Automatic, University of Seville, Seville, Spain, 2011.
References
1. Glebov N. A. Upravlenie dvizheniem mehatronnyh kompleksov v neformalizovannoj vneshnej srede [Control of the motion of the mekhatronnykh complexes in the nonformalized environment]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2008, Spec. vol. Problemy mehatroniki, pp. 58 - 63.
2. Glebov N.A. Interaktivnoe upravlenie mobil'nymi robototehnicheskimi kompleksami [Interactive control of the mobile robotic complexes of]. Materialy vos'moj Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Perspektivnye sistemy i zadachi uprav-leniya» [Materialy of the eighth All-Russian practical-scientific conference "Promising systems and the task of control]. Taganrog, TTI YuFU Publ., 2013, pp. 99-102.
3. Glebov N.A., Pritchin S.B., Markiyanov A.A. Interaktivnoe upravlenie gusenichnymi mobil'nymi robotami s ispol'zovaniem lazernyh kanalov svyazi [Interactive control of catepillar mobile robots with the use of laser communication channels]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2013, no. 2, pp. 23-27.
4. Pshihopov V.H., Ali A.S. Obhod lokal'nyh minimumov funkcii oshibki na osnove pozicionno-traektornogo upravleniya pri dviz-henii robota v neopredelennoj srede [Circuit of the local minimums of the function of error on the basis of position- trajectory control during the motion of robot in that not determined srede]. Vserossijskaya nauchnaya shkola «Mikro^elektronnye informa-cionno-upravlyayuschie sistemy i kompleksy» [Vserossiyskaya scientific school "Microelectronic information-control systems and complexes]. Novocherkassk, 2011, pp. 175-179.
5. Anh Tuan Le," Modeling and Control of Tracked Vehicle", Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, University of Sydney, Australia, 1999.
6. Glebov N.A., Pritchin S.B., Markiyanov A.A. Lazernye sistemy upravleniya mobil'nymi robotami v nedeterminirovannyh uslovi-yah [Laser systems for control of mobile robots under the indeterminate conditions]. Materialy tret'ej Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Perspektivnye sistemy i zadachi upravleniya» [The materials of the third All-Russian practical-scientific conference "Promising systems and the task of control]. Taganrog, TTI YuFU Publ., 2008, vol.1, pp. 148-150.
7. Vorotnikov S.A., Mihajlov B.B., Yuschenko A.S. Distancionnoe upravlenie adaptivnymi robotami [Remote control of adaptive robots]. Mehatronika, avtomatizaciya, upravlenie, 2005, no. 12, pp. 6-16.
8. Barkovskij V.V., Zaharov V.N., Shatalov A.S. Metody sinteza sistem upravleniya [Methods of the synthesis of control systems]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981, 162 p.
9. Glebov N.A., Pritchin S.B. Upravlenie dvizheniem mehatronnogo tonneleprohodcheskogo kompleksa [Control of the motion of mekhatronnogo tonnele-prokhodcheskogo kompleksa]. Mehatronika, avtomatizaciya, upravlenie, 2003, no. 8, pp. 19-23.
10. Wong J. Y. Theory of Ground Vehicles, John Wiley & Sons, third Edition 2001.
11. Ramon Gonzalez , Mirko Fiacchini, Teodoro Alamo, Jose Luis Guzman, and Francisco Rodrigue," Adaptive Control for a Mobile Robot under slip conditions", department of Systems Engineering and Automatic, University of Seville, Seville, Spain, 2011.
Поступила в редакцию 26 мая 2015 г.
