Диссертация (786394), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Программное обеспечение для управления сферороботомразрабатывалось на языке Си для микроконтроллеров серии STM32F303 с ядром Cortex-M4 в среде Keil uVision4. Пользовательский интерфейс для управления сферороботом разработан на языке C] в среде MS Visual Studio 2010.Научная новизна и основные результаты.Разработана новая конструкция сферического робота, приводящегося вдвижение внутренней омниколесной платформой, и обладающая повышеннойманевренностью. Построены кинематическая и динамическая модели движения разработанной конструкции сфероробота, проведен анализ устойчивостичастных решений. Проведены экспериментальные исследования разработанных математических моделей, на основе которых сделана оценка возможностиих использования для управления движением сферического робота с внутренней омниколесной платформой. Разработан алгоритм планирования траектории движения для идеального случая абсолютно сбалансированной и симметричной внутренней омниколесной платформы, а также с учётом возможногосмещения центра масс.
Разработана экспериментальная методика определения смещения центра масс для несбалансированной омниколесной платформы, приводящей в движение сферическую оболочку. Доказано, что в общем7случае траекторией движения сфероробота с внутренней омниколесной платформой при постоянных управляющих воздействиях является окружность.В области исследования движения катящегося диска по горизонтальнойповерхности разработана методика, позволяющая обнаружить отрыв диска отповерхности перед остановкой.
Экспериментальное подтверждение наличияотрыва диска от поверхности перед остановкой получено впервые, что позволило также выдвинуть гипотезы дальнейшего теоретического исследованияданного явления. Проведённые исследования звуковых колебаний, сопровождающих качение диска, с использованием спектральных преобразований хорошо коррелируют с результатами исследований по определению отрывов диска.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 кинематической модели для сфероробота с внутренней омниколесной платформой.4) Методика определения смещения центра масс для омниколесной платформы сфероробота.5) Динамическая модель движения сфероробота с внутренней омниколеснойплатформой.6) Алгоритм управления сферическим роботом с использованием базовыхманевров (гейтов).7) Экспериментальная методика определения отрыва катящегося диска от горизонтальной поверхности перед остановкой, а также экспериментальное8подтверждение наличия микроотрывов катящегося диска от поверхности,сопровождающих его движение.Обоснованность и достоверность результатовДостоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием фундаментальных векторных преобразований, законов сохранения, атакже результатами натурных экспериментов.
Разработанные математическиемодели основываются на классических утверждениях и теоремах и не противоречат известным результатам. Для проведения экспериментальных исследований использовались современные измерительные комплексы, прошедшиеповерку.Теоретическая 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 другойстороны сфероробот с внутренней омниколесной платформой является примером сложной неголономной динамической системы, на основе которой можнопроводить как моделирование, так и экспериментальные исследования, дополняя или упрощая существующую конструкцию, что делает его нагляднымлабораторным комплексом, который можно внедрять в учебный процесс дляизучения алгоритмов управления, разработки моделей движения, а также врамках более прикладных дисциплин связанных с мехатроникой и робототехникой.Разработанная методика для определения отрыва катящегося диска от поверхности впервые позволила однозначно подтвердить наличие отрыва дискаот поверхности перед его остановкой, поставив под сомнения гипотезы об9отсутствии потери контакта диска с поверхностью.
В настоящее время отсутствует полное теоретическое обоснование данного явления, что будет являтьсятолчком для дальнейших как теоретических, так и экспериментальных исследований.Апробация результатов.Основные результаты работы обсуждались на семинарах Института компьютерных исследований ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет», кафедры «Мехатронные системы» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.
Калашникова». Кроме тогорезультаты исследований, изложенные в диссертации докладывались на российских и международных конференциях:• IUTAM Symposium « From Mechanical to Biological Systems - an IntegratedApproach », 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.• XI Международная научно-техническая конференция «Вибрация-2014.Вибрационные технологии, мехатроника и управляемые машины», 14-16мая 2014, г. Курск, ЮЗГУ, РФ.Поданы заявки в Федеральный институт промышленной собственности(Роспатент) на регистрацию авторских прав на1) Полезную модель сфероробота с внутренней омниколесной платформой.102) Программу для управления сферороботом с внутренней омниколеснойплатформой.Публикации.Основные результаты диссертации опубликованные в журналах входящихWeb of Science:1) Borisov, A.
V., Mamaev, I. S., Karavaev, Y. L., On the loss of contact of theEuler disk, Nonlinear Dynamics, V. 79, Issue 4 (2015), pp. 2287-2294. DOI10.1007/s11071-014-1811-5.2) Karavaev Y. L., Kilin A. A., The Dynamic and Control of a Spherical Robotwith an Internal Omniwheel Platform, Regular and Chaotic Dynamics, 2015,21 (2), pp. 20-39.в журналах из перечня ВАК:1) Караваев Ю.Л., Трефилов С. А. Дискретный алгоритм управления по отклонению мобильным роботом с омниколесами, Нелинейная Динамика,2013, Том 9, № 1, с. 91-100.2) Борисов А.В., Мамаев И.С. Караваев Ю.Л.
Об отрыве диска Эйлера, Нелинейная динамика, 2013, Том 9, № 3, с. 499-506.3) Килин А.А., Караваев Ю.Л., Клековкин А.В. Кинематическая модельуправления высокоманевренным мобильным сферороботом с внутреннейомниколесной платформой, Нелинейная Динамика, 2014, Том 10, № 1, с.113-126.4) Килин А.А., Караваев Ю.Л. Кинематическая модель управления сферороботом с внутренней динамически несимметричной омниколесной платформой. Нелинейная Динамика, 2014, Том 10, № 4, с. 497-511.115) Караваев Ю.Л., Килин А.А.
Динамика сфероробота с внутренней омниколесной платформой. Нелинейная Динамика, 2015, Том 11, № 1, с. 187–204.Объем и структура работы.Диссертация изложена на 106 страницах и состоит из введения, четырехглав, заключения и списка цитируемой литературы (119 наименований).Краткое содержание диссертации.В первой главе рассматривается конструкция сферического робота, приводящегося в движение внутренней омниколесной платформой.
Приводитсякинематическая модель движения, на основе которой проводится анализ траектории движения с постоянными управляющими воздействиями. Представлена оценка влияния смещения центра масс на характер траектории движениясферического робота, а также предложена методика определения смещенияцентра масс омниколесной платформы на основе двух экспериментально полученных траекторий. Разработан алгоритм планирования траектории в рамках кинематической квазистатической модели.Вторая глава посвящена разработке динамической модели на основе уравнений неголономного качения. Получена полная система уравнений, описывающая динамику сферического робота с внутренней омниколесной платформой, для данных уравнений указаны первые интегралы движения и найденычастные решения, соответствующие движению сфероробота по прямой либо окружности.
Исследована устойчивость свободного движения сферороботапо прямой в рамках линейного приближения при фиксированных параметрахсфероробота. Разработан алгоритм управления, основанный на численном решении полученной системы дифференциальных уравнений и позволяющийреализовать движение сфероробота по произвольной траектории. Для исключения его недостатков разработан численный алгоритм построения элементарных маневров (гейтов), позволяющих переходить с одного стационарного12движения на другое. Данный алгоритм проиллюстрирован на примере разгонасфероробота и поворота при начальном движении по прямой.В третьей главе приведены описание экспериментальной установки, а также результаты многочисленных экспериментальных исследований движениясфероробота по типовым траекториям: окружность и прямая. Управляющиевоздействия рассчитывались по кинематической (квазистатической) модели,учитывающей смещение центра масс.Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию каченияоднородного диска по горизонтальной плоскости.
В первой ее части представлен обзор работ, посвященных исследованию движения диска, и в особенности её финальной стадии. Во второй части приведены описания экспериментальных установок, позволивших зафиксировать наличие отрыва дискаот горизонтальной плоскости перед его остановкой.
Представлены результатыэкспериментальных исследований с дисками из различных электропроводящих материалов и с разной массой. Проведен анализ звуковых колебаний,сопровождающих движение диска перед и в момент его остановки. Показана тесная корреляция экспериментальных данных характерных отрыву дискаот поверхности перед его остановкой. Выдвинуты гипотезы существованияобнаруженных «микроотрывов», сопровождающих качение диска.13ГЛАВА 1Конструкция и кинематическая модельсферического робота с внутренней омниколеснойплатформойВ данной главе представлены описание конструкций существующих сферических роботов и анализ их кинематических схем. Приведены результатыразработки экспериментального образца сферического робота, перемещающегося за счёт движения внутренней омниколесной платформы и его кинематической модели.
Проводится анализ возможных траекторий стационарного движения, как в идеальном случае, так и при смещении центра масс подвижнойомниколесной платформы. Также предложена методика определения смещения центра масс по двум экспериментам, в ходе которых измеряются радиусыкривизны траекторий движения.1.1. ВведениеВ настоящее время, в мире ведутся активные исследования по созданиюновых способов передвижения. С одной стороны это связано с насущнойнеобходимостью увеличения маневренности (особенно в городских условия)транспортных средств и их надежности. С другой стороны, ведутся разработки «экзотических» транспортных средств, перспективность применения которых связана с их использованием в специфических (критических) условиях,например в условиях космоса или других планет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
