Автореферат (786393), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Разработан алгоритм планирования траектории движения для идеального случая абсолютносбалансированной и симметричной внутренней омниколесной платформы,а также с учётом возможного смещения центра масс. Разработана экспериментальная методика определения смещения центра масс для несбалансированной омниколесной платформы, приводящей в движение сферическуюоболочку. Доказано, что в общем случае траекторией движения сфероробо-5та с внутренней омниколесной платформой при постоянных управляющихвоздействиях является окружность.В области исследования движения катящегося диска по горизонтальной поверхности разработана методика, позволяющая обнаружить отрывдиска от поверхности перед остановкой.
Экспериментальное подтверждение наличия отрыва диска от поверхности перед остановкой получено впервые, что позволило также выдвинуть гипотезы дальнейшего теоретического исследования данного явления. Проведённые исследования звуковыхколебаний, сопровождающих качение диска, с использованием спектральных преобразований хорошо коррелируют с результатами исследований поопределению отрывов диска.Положения и результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:1) Конструкция сферического робота с внутренней омниколесной платформой.2) Кинематическая модель движения сфероробота с внутренней омниколесной платформой, а также границы её применимости.3) Алгоритм планирования траектории движения на базе кинематическоймодели для сфероробота с внутренней омниколесной платформой.4) Методика определения смещения центра масс для омниколесной платформы сфероробота.5) Динамическая модель движения сфероробота с внутренней омниколесной платформой.6) Алгоритм управления сферическим роботом с использованием базовых маневров (гейтов).7) Экспериментальная методика определения отрыва катящегося диска отгоризонтальной поверхности перед остановкой, а также экспериментальное подтверждение наличия микроотрывов катящегося диска отповерхности, сопровождающих его движение.Аргументированность, обоснованность и достоверность диссертацииДостоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием фундаментальных векторных преобразований, законов сохранения, а также результатами натурных экспериментов.
Разработанные математические модели основываются на классических утверждениях и теоремах и не противоречат известным результатам. Для проведения экспериментальных исследований использовались современные измерительныекомплексы, прошедшие поверку.6Теоретическая и практическая ценностьКонструкция разработанного сферического робота с внутренней омниколесной платформой обладает повышенной маневренностью и простотойуправления по сравнению с другими конструкциями сферических роботов.Разработанные математические модели движения могут использоваться дляуправления сферороботом подобной конструкции в реальных условиях, ихадекватность подтверждена экспериментальными исследованиями.
С другой стороны сфероробот с внутренней омниколесной платформой являетсяпримером сложной неголономной динамической системы, на основе которой можно проводить как моделирование, так и экспериментальные исследования, дополняя или упрощая существующую конструкцию, что делает его наглядным лабораторным комплексом, который можно внедрять вучебный процесс для изучения алгоритмов управления, разработки моделей движения, а также в рамках более прикладных дисциплин связанных смехатроникой и робототехникой.Разработанная методика для определения отрыва катящегося диска отповерхности впервые позволила однозначно подтвердить наличие отрывадиска от поверхности перед его остановкой, поставив под сомнения гипотезы об отсутствии потери контакта диска с поверхностью. В настоящеевремя отсутствует полное теоретическое обоснование данного явления, чтобудет являться толчком для дальнейших как теоретических, так и экспериментальных исследований.Апробация результатовОсновные результаты работы обсуждались на семинарах Институтакомпьютерных исследований ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственныйуниверситет», кафедры «Мехатронные системы» ФГБОУ ВПО «Ижевскийгосударственный технический университет имени М.Т.
Калашникова». Кроме того результаты исследований, изложенные в диссертации докладывались на российских и международных конференциях:• IUTAM Symposium « From Mechanical to Biological Systems - anIntegrated Approach », 05–10 июня 2012, г. Ижевск, РФ• Fourth International Conference «Geometry, Dynamics, Integrable System»– GDIS 2013, 10–14 июня 2013, г.
Ижевск, РФ• Международная конференция «Нелинейная динамика и её приложения», 15 - 18 октября 2013, г. Ярославль, РФ• Fourth forum of young researchers. In framework of international forum«EDUCATION QUALITY – 2014», 23 апреля 2014, г. Ижевск, РФ.7• XI Международная научно-техническая конференция «Вибрация-2014.Вибрационные технологии, мехатроника и управляемые машины», 1416 мая 2014, г. Курск, ЮЗГУ, РФ.ПубликацииРезультаты диссертации отражены в 8 научных публикациях, 7 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, включая 2 публикации, опубликованных в журналах Web of Science. Список приведен вконце автореферата.Личный вкладПостановки задач, обсуждение и интерпретация результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами работ. Автором разработаны математические модели, экспериментальные установки, изготовлены натурные образцы, проведены натурные и численные эксперименты,разработано программное обеспечение для обработки экспериментальныхданных и управления сферическим роботом.Объем и структура работыДиссертация изложена на 106 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (119 наименований).Содержание диссертацииВ первой главе проводится анализ конструкций существующих сферических роботов, являющихся примерами активно развивающихся в настоящее время систем с качением.
Сферические роботы обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными колесными или ходящими роботами: защищённость системы управления и конструктивныхэлементов робота от механических воздействий или неблагоприятных условий внешней окружающей среды (так как они расположены внутри герметичной оболочки); подвижность внутренних приводных механизмов не зависит от условий поверхности, по которой движется сферическая оболочка;омнинаправленность, то есть способность двигаться в любом направлении,без дополнительных маневров; меньшая сила давления на поверхность, чтопозволяет двигаться сферороботу по сыпучим материалам, снегу и воде.Одним из перспективных направлений разработки сферических роботовявляется их потенциальная возможность перемещаться в условия других8планет, а также из одной среды в другую, например по воде и по суше,существенно расширяя область использования мобильных роботов.Существует более двух десятков различных вариантов конструкцийсферических роботов, для которых разработаны математические моделиуправления, а также экспериментальные образцы.
Однако, в рамках теоретических исследований авторы, чаще всего, ограничиваются рассмотрением только кинематических уравнений, а динамические модели используются для описания идеализированных систем, ввиду их сложности. Поэтому в работах, посвящённых экспериментальным исследованиям движениясферических роботов, отклонения реальных траекторий движения от теоретических достигали 50%.В данной работе проводятся исследования сферического робота с внутренней омниколесной платформой, разработанного в лаборатории Нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения. Конструкция данного сфероробота представляет собой полую сферическую оболочку, внутри которой перемещается платформа с тремя омниколесами.
На рисунке 1 представлены 3D модель и фото экспериментального образца.а)б)Рис. 1. Трехмерная (а) и реальная (б) модель сфероробота с внутренней омниколесной платформойДля описания движения сфероробота введены три системы координат.Первая OXY Z - неподвижная, с ортами α, β, γ, вторая Cx0 y 0 z 0 - подвижная, жёстко связанная со сферической оболочкой с ортами ξ, η, ζ, и третьяCxyz - подвижная жёстко связанная с омниколесной платформой с ортами e1 , e2 , e3 (см. рис. 2a). При этом конструкция подвижной платформыописывается следующими постоянными (в системе координат Cxyz) векторами: ri - радиус - векторы центров омниколес, ni - единичные векторы,9направленные вдоль осей вращения омниколес, αi - единичные векторы,задающие направления осей вращения роликов каждого колеса в точкахконтакта с оболочкой (см.
рис. 2b), и rm - задаёт положение центра массподвижной платформы с омниколесами.b)a)Рис. 2. (a) - Cхема сфероробота, (b) - модель омниколеса в сферической оболочкеПоложение системы задаётся координатами центра сферической оболочки в неподвижной системе координат r = (x, y, 0), углами поворотаколес χ = (χ1 , χ2 , χ3 ) и двумя матрицами, задающими ориентацию впространстве платформы и сферической оболочкиQ = (α, β, γ) , S = (ξ, η, ζ) .(1)Все вектора записаны в проекциях на оси системы координат Cxyz жёсткосвязанной с платформой. Таким образом конфигурационно пространстворассматриваемой системы представляет собой произведение R2 × T3 ×SO(3) × SO(3).
В данных координатах движение сферической оболочкии платформы описывается следующими кинематическими соотношениямиeeṙ = QT v, Q̇ = ωQ,Ṡ = (eω − Ω)S,(2)где v — скорость центра сферы (в проекциях на оси системы Cxyz), а матe выражаются через компоненты абсолютных угловых скоростейe иΩрицы ωподвижной платформы ω и сферической оболочки Ω.Задача управления сферороботом рассматривается в следующей постановке: необходимо определить управляющее воздействие, реализующеедвижение по заданной траектории x(t), y(t) при t ∈ [0, T ], с заранее заданной зависимостью от времени проекции угловой скорости сферическойоболочки на вертикаль Ωγ (t) при известных начальных ориентаций α(0),β(0), γ(0) и угловой скорости платформы ω(0).10В рамках кинематической модели в качестве управляющих воздействий приняты угловые скорости вращения омниколес χ̇i , которые выражаются из неголономных связей, наложенных на систему. Непроскальзыванию сферической оболочки относительно плоскости соответствует связьF = v − R0 Ω × γ = 0,(3)где v — скорость центра сферы (в проекциях на оси системы Cxyz), анепроскальзыванию колес относительно сферической оболочкиGi = χ̇i +R0(ω − Ω, si ) = 0.(si , ni )Rw(4)где si = ri × αi .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
