Диссертация (786394)
Текст из файла
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИРОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования“Ижевский государственный технический университетимени М.Т. Калашникова”Кафедра “Мехатронные системы”На правах рукописиКАРАВАЕВ ЮРИЙ ЛЕОНИДОВИЧТеоретические и экспериментальныеисследования динамики и управления некоторыхсистем с качениемСпециальность 01.02.01 — Теоретическая механикаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наукА.А. КилинИжевск — 2015СодержаниеВведение .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4ГЛАВА 1. Конструкция и кинематическая модель сферического робота с внутренней омниколесной платформой . . . . . . . . . . . . . 141.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141.2. Анализ конструкций сферических роботов . . . .
. . . . . . . .161.3. Сферический робот с внутренней омниколеной платформой . .181.3.1. Описание конструкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181.3.2. Описание конструкции омниколеса для сфероробота . .211.4. Кинематическая модель сферического робота с внутренней омниколесной платформой . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .221.4.1. Управление в рамках кинематической модели . . . . . .251.4.2. Учёт смещения центра масс . . . . . . . . . . . . . . . .291.4.3. Анализ траектории движения сфероробота при постоянных управляющих воздействиях . . . . . . . . . .
. . . .311.4.4. Определение положения центра масс подвижной платформы сфероробота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33ГЛАВА 2. Динамика сферического робота с внутренней омниколеснойплатформой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.1. Введение . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .352.2. Динамические уравнения движения сфероробота с внутреннейомниколесной платформой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382.3. Частные решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .452.3.1. Неподвижные точки приведённой системы . . . . . . . .462.3.2. Устойчивость движения по прямой .
. . . . . . . . . . .482.4. Управление вдоль заданной траектории . . . . . . . . . . . . . .502.5. Управление при помощи гейтов . . . . . . . . . . . . . . . . . .55ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования движения сфероробота свнутренней омниколесной платформой . . .
. . . . . . . . . . . . 603.1. Описание экспериментальной установки . . . . . . . . . . . . .603.2. Экспериментальные исследования . . . . . . . . . . . . . . . . .633.2.1. Движение по прямой в зависимости от начальной ориентации подвижной платформы . . .
. . . . . . . . . . .633.2.2. Экспериментальное определение положения центра массподвижной платформы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .663.2.3. Исследование движения сфероробота по прямой приразличных скоростях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .683.2.4. Движение по окружности при постоянных управляющих воздействиях . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .703.2.5. Движение по окружности с сохранением ориентации подвижной платформы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования качения однородногодиска по горизонтальной плоскости . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.1. Постановка задачи. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .764.2. Разработка экспериментальной установки и методики проведения экспериментальных исследований . . . . . . . . . . . . . .80Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 91Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943ВведениеАктуальность темы исследований.Современный интерес к теоретическим и экспериментальным исследованиям систем с качением вызван активным развитием робототехники, преждевсего мобильных роботов [1], предназначенных для эксплуатации как на поверхности Земли, так и в условиях других планет. Для исследования подобных систем используются уравнения движения в различных формах (ЭйлераЛагранжа, Чаплыгина, Воронца, Аппеля, Маджи и др.).
Теоретические основы исследования систем с качением в неголономной постановке изложены вработах как российских так и зарубежных авторов [2–7, 65], которые включают описание классических и новых неголономных систем. Отдельно следуетотметить работы посвящённые исследованию неголономных моделей мобильных колесных роботов, к которым относятся самая простая и распространённая модель мобильного робота только с двумя приводными колесами, с однимили двумя рулевыми колесами, мобильные роботы с роликонесущими колесами (или омниколесами). Это работы Д. Е. Охоцимского, Ю.Г. Мартыненко,Я.В.
Татаринова, А.А. Зобовой, С.Ф. Бурдакова, И.В. Мирошника, Р.Э. Стельмакова, А.В. Борисова, И. С. Мамаева, А.А. Килина [8–10,37–39,41] и других.Большую популярность в последние годы, особенно у зарубежных авторов, приобретают исследования различных конструкций сферических роботов. Наиболее полные обзорные работы этого класса неголономных системс качением представлены в работах А.В. Борисова, И.
С. Мамаева, А.А. Килина, М.Свинина, А.Хальме, Р. Чейза, А. Панди, Родри Армура, Ю. Винсента [13, 20, 22, 23, 42, 43, 61] и других. Исследования в этом направлении являются наиболее актуальными, так как сферическое колесо в будущем являетсяпотенциальной заменой классического колеса [12,14,15]. Это существенно повысит маневренность и управляемость мобильных роботов, а следовательнои степень их внедрения в различные сферы жизни. Разработка и внедрениенеголономных движителей [12,13], на базе шаровых приводов, неголономныхманипуляторов [11, 16] требует развития соответствующих нелинейных моделей управления или адаптации существующих моделей движения колесныхсистем.Практическая реализация алгоритмов управления системами с качениемявляется сложной задачей, так как для её решения нет универсального подхода, и, как правило, разработке системы управления предшествует теоретический анализ движения, позволяющий подобрать рабочие режимы соответствующие стационарным движениям неголономной системы, оценить ихустойчивость и способы стабилизации.
С другой стороны, в мобильной робототехнике наличие неголономных связей, ограничивающих возможные перемещения, как правило, обусловлено отсутствием дополнительных приводныхэлементов. При современном развитии микропроцессорной техники разработка специальной «неголономной» системы управления является более дешевымвариантом, чем введение новых конструктивных и приводных элементов, исключающих неголономность системы, если это технически возможно.
Данноеобстоятельство особенно актуально для автономных мобильных систем, испытывающих в абсолютном большинстве случаев проблемы с обеспечениемэнергией.В работе представлены исследования двух систем с качением. Первая сферический робот с внутренней омниколесной платформой, разработанныйв рамках сотрудничества Лаборатории нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения (ФГБОУ ВПО «УдГУ») и НУЛ «Мобильныесистемы» кафедры «Мехатронные системы» (ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имениМ.Т. Калашникова»).
Исследование и разработка сферического робота имеют5явную практическую значимость. Однако, без соответствующих теоретических моделей, описывающих движение подобных систем, в независимости отконструкции, реализовать алгоритмы управления для достижения заданнойточности, на практике, не представляется возможным.Вторая система является классической в неголономной механике - однородный диск, катящийся (с проскальзыванием) по горизонтальной поверхности (в зарубежной литературе его часто называют диск Эйлера).
Анализу качения диска по горизонтальной поверхности посвящено большое количестворабот, в том числе и экспериментальных. Однако, вопрос о поведении дискав момент остановки остаётся открытым, что делает все существующие теоретические модели его движения неполными, а задачу экспериментальногоисследования момента остановки актуальной, так как существующие гипотезы поведения диска в момент остановки (а также основанные на данныхгипотезах теоретические модели), представленные в работах как отечественных так и зарубежных учёных, противоречивы. Отметим, что вопрос о падении диска Эйлера является основным при изучении динамики и управленияробота-колеса [17, 18].Цель работыЦелью диссертационной работы является исследование динамических систем с качением, используя сочетание аналитических, численных и экспериментальных методов.
Экспериментальные методы подразумевают разработкуи создание натурных образцов рассматриваемых систем, а также экспериментальных установок и методик определения параметров их движения.Методы исследованияДля решения поставленных в рамках диссертации задач предполагаетсяиспользовать аналитические и численные методы теории динамических систем, теории устойчивости. Для проведения экспериментальных исследований качения диска по горизонтальной поверхности разработаны методики,6позволяющие определить наличие потери контакта катящегося диска от поверхности и даже зафиксировать ее длительность.
Для исследования звука,сопровождающего качение диска, использовались такие методы спектрального анализа как быстрое преобразование Фурье и вейвлет-преобразование. Припроведении экспериментальных исследований движения сфероробота использовались современные технологии захвата движения (Motion Capture). Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием программного комплекса Matlab.Алгебраические преобразования, в том числе вывод уравнений, описывающих динамику, анализ устойчивости выполнялись с помощью пакета программ Maple v.15.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
