Динамика управляемого движения мобильной электромеханической системы с попарно кинематически связанными колесами

Чжо Пьо Вей

Динамика управляемого движения мобильной электромеханической системы с попарно кинематически связанными колесами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Чжо Пьо Вей АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамика управляемого движения мобильной электромеханической системы с попарно кинематически связанными колесами»

Автореферат диссертации на тему "Динамика управляемого движения мобильной электромеханической системы с попарно кинематически связанными колесами"

На правах рукописи

Чжо Пьо Вей

ДИНАМИКА УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ПОПАРНО КИНЕМАТИЧЕСКИ СВЯЗАННЫМИ КОЛЕСАМИ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 у '.".";;! 7П11 I о > „ -Л I ¿иг)

Курск-2014

005549919

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор, Заслуженный деятель науки РФ

Яцун Сергей Федорович

Крюков Владимир Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Проектирование механизмов и деталей машин», Тульский государственный университет

Чаплыгин Константин Викторович,

кандидат технических наук, руководитель отдела ООО «ПраймАвто», г. Курск

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет — — учебно-научно-производственн ы й комплекс», г. Орел

За™ «'с™ится 28 июня 2014 г. в 12.00 на заседании диссертационного г' 5'01 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета и на официальном сайте www.svvsu.ru

Автореферат разослан « » мая 20141

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.01

Лушников Борис Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Использование робототехнических устройств для решения задач удаленного мониторинга, слежения, поисковых работ и т.д. в условиях повышенной- опасности приобретает в настоящее время все большее распространение. Область применения мобильных колесных и гусеничных систем чрезвычайно широка и обусловлена очевидными преимуществами подобной техники, среди которых можно выделить: высокую проходимость, маневренность, высокую надежность и относительную простоту конструкции. Наибольшее распространение для поисково-разведывательных операций на пересеченной местности получили полноприводные колесные и гусеничные комплексы. Однако подобные устройства представляют собой сложные электромеханические системы, проектирование которых требует тщательного изучения динамических эффектов, возникающих в различных режимах функционирования.

Работы по созданию математического описания динамики колесных и гусеничных машин ведутся достаточно давно. Известны работы профессоров Кристи М.К., Львова Е.Д., Медведева М.И., Опейко Ф.А., Груздева Н.И., Антонова A.C. и др. но теории гусеничных машин и тракторов. Теория колесных транспортных систем исследовалась в работах Буданова В.М., Бурдакова С.Ф.. Девянина Е.А., Зенкевича С.Л., Мартыненко Ю.Г., Мирошника И.В., Охоцимского Д.Е., Павловского В.Е., Подураева Ю.В., Стельмакова Р.Э., Формальского A.M., а также в трудах зарубежных авторов G. Bastin,G. Campion, Canudas de Wit C„ W. Dixon, Y.H. Fung; A. lsidori и др. Созданием гусеничных и колесных мобильных роботов занимаются ведущие кафедры робототехники, среди которых МГТУ им. Баумана, ЦНИИ PTIC (Санкт-Петербург), Институт прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН, ЮЗГУ (Курск) и др.

Как правило, гусеничные движители представляют собой сложные многозвенные устройства, неприемлемые для использования в миниатюрных робототехнических системах, а использование независимого полного привода усложняет конструкцию и управление такими системами. Использование в конструкции колесного движителя попарно кинематически связанных колее позволяет обеспечить полный привод устройства без использования дополнительных двигателей. Поэтому разработка конструкций и исследование динамики электромеханических систем с кинематически связанными колесами является

актуальной задачей.

Объектом исследования данной работы является мобильная электромеханическая система с попарно кинематически связанными колесами, оснащенная системой автоматического управления движением.

Предметом исследования данной работы являются динамические процессы, протекающие в мобильной электромеханической системе с попарно кинематически связанными колесами при управляемом движении.

Цель работы заключается в создании научных основ и инструментальных средств проектирования мобильных электромеханических систем с попарно кинематически связанными колесами, учитывающих процесс взаимодействия с поверхностью, выявлении закономерностей движения, анализе динамики и синтезе рациональных параметров конструкции.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Анализ применения колесного движителя с кинематически связанными колесами в конструкциях мобильных мини-роботов.

2. Разработка математической модели, описывающей динамику управляемого движения мобильной электромеханической системе с кинематически связанными колесами в различных режимах функционирования, учитывающей свойства электропривода и взаимодействие с шероховатой поверхностью.

3. Разработка алгоритма и методики расчета динамического процесса управляемого движения мобильной электромеханической системы, оснащенной движителем с кинематически связанными колесами.

4. Исследование динамических особенностей и выявление закономерностей движения мобильной электромеханической системы, оценка влияния свойств поверхности и параметров конструкции на управляемое движение устройства.

5. Разработка экспериментального образца мобильной электромеханической системы и методик проведения натурных экспериментов. Проведение экспериментальных исследований движения в различных режимах.

6. Разработка инструментальных средств проектирования мобичьных электромеханических систем с попарно кинематически связанными колесами позволяющих определить конструктивные параметры и произвести моделирование системы автоматического управления движением.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением теоретических и экспериментальных методов теории машин и механизмов теоретической механики, теории автоматического управления теории электропривода, а также теории планирования эксперимента и прикладного программирования.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель мобильной электромеханической системы оснащенной движителем с кинематически связанными колесами, отличительной особенностью которой является учет нелинейных сил трения, возникающих в точках контакта устройства с шероховатой поверхностью, динамических процессов протекающих в электроприводах ограниченной мощности, сил вязкого сопротивления движению.

2. Алгоритмы численного моделирования процесса управляемого движения включающие расчеты различных режимов движения объекта в зависимости от внешних условий функционирования.

3. Алгоритм и методика численного расчета нормальных реакций взаимодеиствия колесного движителя с шероховатой поверхностью

4. Научно обоснованная методика расчета параметров конструкции определения мощности двигателей и синтеза параметров регулятора системы автоматического управления приводами устройства, учитывающая процессы взаимодействия системы с внешней средой.

Достоверность научных положений н результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Практическая ценность. Разработана инженерная методика расчета параметров мобильной электромеханической системы, оснащенной движителем с кинематически связанными колесами, позволяющая определять численные значения параметров конструкции и системы управления в зависимости от свойств поверхности и условий функционирования системы. Данная методика может быть

использована при проектировании гусеничных и колесных мини-роботов, применяемых для поисковых, спасательных и разведывательных задач.

Разработан экспериментальный стенд, включающий прототип мобильной электромеханической системы с попарно кинематически связанными колесами, макеты различных препятствии, в том числе подвижных, а также фрагменты участков пересеченной местности и измерительную систему, позволяющий проводить экспериментальные исследования процесса движения устройства в различных режимах, производить настройку системы управления приводами, отрабатывать алгоритмы взаимодействия объекта с различными препятствиями.

Реализация работы. Результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ (г. Курск).

Апробация диссертации. Основные положения диссертации доложены и одобрены на вузовской научной конференции студентов и аспирантов в области научных исследований: Всероссийской научной школе для молодежи «Мехатроника^ робототехника, Современное состояние и тенденции развития» (г. Курск 2011), 11 международной молодежной научной конференции «Молодежь и XXI век» (г. Курск 2012), V Международной научно-технической конференции «Вибрация-2012» (г. Курск 2012), II международной молодежной научной конференции «Молодежь и XXI век» (г. Курск 2013), на семинарах кафедры теоретической механики и мехатроники

ЮЗГУ (Курск, 2011-2014 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 4

статьи в рецензируемых научных журналах.

. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 98 наименований. Текст диссертации изложен на 153 страницах, содержит 118 рисунков, 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, дана общая характеристика диссертации, показана научная новизна и практическая значимость, приведены основные

положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлена классификация типов шасси, используемых в конструкциях мобильных электромеханических систем, выполнен анализ движителей колесных и гусеничных роботов, выявлены преимущества и недостатки. Выполнен обзор существующих конструкций колесных и гусеничных мобильных роботов.

Во второй главе описана конструкция объекта исследования и принцип функционирования устройства (рис. 1).

/! -.. , . ''Г V.J,// W,,i //Л-/////,. Рис. 1 Схема объекта исследования

Мобильная электромеханическая платформа с г ибкой связью между колёсами состоит из корпуса 1, внутри которого расположены: два мотор-редутюа 2 ведущие колеса 3, ведомые колеса 4, система автоматического управления 5, источник питания б. Ведущие и ведомые колеса, соединенные посредством ременной передачи 7 закреплены с двух сторон корпуса. Ведущие колеса жестко соединены с выходным валом мотор-редуктора. Система автоматического управления 5, генерирует управляющий сигнал, который усиливается посредством драйверпой схемы (на рис не показана) и поступает на мотор-редуктор 2. Крутящий момент, создаваемый приводом, приводит в движение ведущее колесо 3. Под действием крутящего момента, приводится в движение ремень 7 и ведомое колесо 4. За счет сил трения между колесами и контактной поверхностью 8 система приводится в движение Поворот электромеханической платформы в горизонтальной плоскости осуществляется путем придания разных скоростей вращения колесам платформы Данная конструкция может быть отнесена к гибридным транспортным системам и сочетает в себе преимущества как гусеничного, так и колесного движителей, сохраняя при этом простоту конструкции и высокую проходимость.

Для разработки математической модели электромеханической системы с попарной кинематической связью между колесами была предложена следующая обобщенная схема устройства, оснащенная двумя независимыми парами колесных движителем с гибкои связью между колесами каждой пары рис 2

Рис. 2 Расчетная схема мобнльной электромеханической системы

На схеме приняты следующие обозначения: хОуг ~ неподвижная система координат, СХ,У,г1 - подвижная система координат, М„Мг - крутящие моменты на ведущих колесах 1 и 2, С„С2,С,,С< - точки крепления центра колес; А',, А', А" К -

точки контакта колес с поверхностью;Л',, Л':, Л',.Л'4 - силы нормальных реакций, действующих в точках контакта колес мобильной электромеханической системы с поверхностью, проекции сил трения, соответственно

на ось OA',И ось ок,; й£. ,ûCi,6Ci,ûCi - скорости точек крепления центра колес; 52 ,0^,0^,0^,0^,0^ - проекции скоростей точек крепления центра колес на

ось на ось OA', и осьОГ,; 0^,0^,0^,0^ - скорости точек контакта колес с поверхностью; проекции скоростей точек контакта

колес с поверхностью на ось о*, и OY,-, ñ^ro^ó^ñ, - угловые скорости вращения колес, mg - сила тяжести, действующая на платформу.

Были приняты допущения о том, что центр масс робота лежит в горизонтальной плоскости хОу, из чего следует, что силы нормальных реакций в точках контакта являются постоянными по величине; гибкие ленты моделируются как невесомые нерастяжимые нити, обеспечивающие кинематическую связь между колесами (wi=co4, м2=о)3) и передающие крутящий момент на ведомые колеса без потерь, при этом будем считать, что каждая лента контактирует с поверхностью только в двух точках. На основании теоремы о проекции скоростей можно утверждать, что = ú'¿, D"¿ = й£ , = , 0*¿ - 0¿\, это означает, что силы трения

Fj.Ji и FT\, F,\ и F¿„ F-rr, и F«4, Ft>;2 и F,» направлены попарно одинаково, на основании чего справедливо применить следующие обозначения: F^-F^+F^, FTP„ = Щ , = Frr, + Fil, Ftr„ = ftp2 * F1% ■ Используя общие теоремы динамики, составим уравнения движения устройства. Для описания электроприводов применим второй закон Кирхгофа для цепи якоря двигателя постоянного тока.

Окончательно система уравнений, описывающая динамику мобильной электромеханической системы с учетом динамических особенностей электроприводов и на основании результатов кинематического анализа системы, будет иметь вид:

тх = cos ip + F¿u cos ç - F£u sin </> + F,)'.., cos q> my = F¿¡„ sin <p + Ffi^ sin <¡> ~ F&H eos <p - F^ eos <¡> 1, ç = FT]lr ■ a, - F^ ■ a2 - F,\ ■ o, - Fi,l.x ■ a4

■ и К(Ъ>Л = MjWu - FirrRk ; (1)

2JKco2i =Míah, -FTi'uRk-

Ldi, „ ,,

—i + n.+C, =¿/, at

Ldi, ..

-í- + ri, + C, = U,

где x, y, tp - обобщенные координаты робота, oju, oj2, - угловые скорости каждой пары колес, JK - момент инерции вала двигателя: См,Се ~ электрическая и электромеханическая постоянные двигателя; L, RK - индуктивность и активное сопротивление обмотки двигателя; UhU3 - управляющие напряжения, 1г - момент

инерции корпуса относительно вертикальной оси* проходящей через центр масс, ^ ;2 - токи, протекающие в обмотках электродвигателей, а, - расстояние от центра масс до С,С2, а2 - расстояние от центра масс до С3С4, аг - расстояние от центра масс до с*с*< а* ~ расстояние от центра масс до С2С3, = « = К5 + ^

««и ''. ' "а ГР4 '

^ = ^ + . ^ = ^гл + ^ - суммарные силы трения, определяемые согласно выражениям:

VТР — л —.

(2)

(3)

где у;" - коэффициенты трения скольжения в продольном и поперечном направлении соответственно, ^ - силы нормальной реакции, о«, - скорости точек контакта колеса с поверхностью для г-ого колеса.

Система уравнений (1) в общем случае является статически неопределимой и не может быть решена обычными методами. Однако, можно выделить ряд частных случаев, в которых особенности движения накладывают кинематические или силовые ограничения, на основании которых возможно получить дополнительные алгебраические уравнения, позволяющие получить статически определимую систему. Для численного решения системы уравнений (1) с учетом нелинейных сил трения, определяемых выражениями (2-3), предложен алгоритм, основанный на определении таких ограничений на каждом шаге интегрирования. В дальнейшем будем называть каждый такой частный случай режимом движения. Всего было выделено 8 таких режимов:

Режим 1: Проскальзывание колес отсутствует, поперечное скольжение обеих осей мобильной платформы также отсутствует. При этом силы трения могут принимать любое значение, не превышающее величину силы трения покоя, однако скорость центра масс связана с угловыми скоростями колес кинематическими зависимостями.

Режим 2: Все колеса проскальзывают в продольном направлении, в поперечном направлении проскальзывание отсутствует. При этом силы трения, действующие в продольном направлении, известны и принимаются равными силе трения скольжения и направленными противоположно скорости точки контакта колеса с поверхностью.

3: Первая пара колес проскальзывает в продольном направлении, для второй пары колес продольное проскальзывание отсутствует, проскальзывание в поперечном направлении отсутствует. При этом сила трения для первой пары колес известна и определяется аналогично режиму 2.

Режим 4: Первая пара колес движется без проскальзывания, вторая скользит поперечное скольжение отсутствует.

Режим 5: В продольном направлении проскальзывание отсутствует в поперечном направлении все колеса скользят по поверхности. При этом направление поперечных сил трения определяется в зависимости от направления вектора скорости поперечного движения точек контакта пар колес с поверхностью для передней и задней оси платформы соответственно, а их абсолютное значение равно силе трения скольжения.

Режим 6: Обе пары колес скользят как в продольном, так и в поперечном направлении, при этом все действующие силы трения известны.

Режим 7: Первая пара колес проскальзывает в продольном направлении, для второй пары колес продольное проскальзывание отсутствует, обе пары колес проскачьзывают в поперечном направлении. При этом сила трения для первой пары колес известна и определяется аналогично режиму 2.

Режим 8: Первая пары колес движется без проскальзывания, вторая скользит, присутствует поперечное скольжение.

Нужно отметить, что режимы, при которых присутствует поперечное скольжение только одной оси устройства, принципиально возможны только при наличии вращения вокруг одной из точек контакта ленты с поверхностью и в рамках данной работы не рассматриваются.

В процессе расчета на каждом шаге интегрирования происходит последовательный перебор указанных режимов и проверка соответствия текущих параметром системы условиям, определенным для каждого режима.

В третьей главе произведено численное моделирование движения системы с использованием предложенного алгоритма. Получены зависимости средней скорости прямолинейного движения робота от величины управляющего напряжения при различных коэффициентах трения в точках контакта с поверхностью, как показано на рис. 3.

и, в

Рис. 3 Зависимость средней скорости прямолинейного движения от величины управляющего напряжения при различных коэффициентах трения

Нужно отметить, что экспериментальным путем установлено отличие характеристики сухого трения в реальных условиях: при возникновении проскальзывания величина коэффициента трения значительно ниже, чем максимальное значение трения покоя, то есть, зависимость силы трения от скорости точки контакта выглядит следующим образом (рис. 4).

г» та* • 1

™скальж

т>п

■

Рис. 4 Зависимость силы трения от скорости.точки контакта

При этом на участке разгона появляется особый . участок характеристики, характеризующийся уменьшением ускорения, на временной характеристике сил трения также проявляется этот эффект, обусловленный возникновением проскальзывания колес, после чего робот продолжает движение без проскальзывания. ' 1001—

м/с; х. м/с2

-> г

г! и /

0.1 0.2 0.3 0.4 1

б)

0.1 0.2 0.3 0.4

1 - ускорение, 2 - скорость Рис. 5 Временные характеристики скорости и ускорения а) п сил трения в точках контакта б)

Проведено исследование движения мобильной электромеханической системы по криволинейной траектории. При подаче на двигатели разных по величине управляющих напряжений устройство перемещается по криволинейной траектории:

с, в ю

а) 0

.... г Л

У, ы

в)

0 05

0 1 2 * * ' "О 0.2 0.4 *,и

Рис. 6 Управляющее напряжение а) и траектория движения робота б)

Особый интерес представляет движение платформы при различных коэффициентах трения для каждой пары колес. При этом скорость перемещения центра масс устройства и угловое ускорение его корпуса зависят как от соотношения управляющих напряжений, так и от соотношения коэффициентов трения.

Л/.м/с 0.4 0.2 0

а) -0.2

/ Л

к \ гап -1 /

Л Я 1 = 2 V у

Л гап- 3

рад/с2 0.4 0.2

42.

п/с 1-Э

А, пт ■1

0.3

ШЛЛ,В

0,5

1ллд.в

Рис. 7 Зависимость средней скорости (а) и углового ускорения (б) корпуса от величины управляющего напряжения при различных коэффициентах трения

Исследовано движение системы при различных законах изменения управляющего напряжения. В частности, рассматривался способ управления, показанный на рис. 8, при котором на первом этапе (1-3 сек.) используется напряжение разной полярности, что обеспечивает поворот устройства вокруг своей оси на некоторый угол; на втором этапе на двигатели подается одинаковое управляющее напряжение, которое должно обеспечивать прямолинейное перемещение системы.

П,Во •10 -20

I/2

1 - напряжение на первом двигателе, 2 - напряжение на втором двигателе Рис. 8 Управляющие напряжения

Как показали результаты численного эксперимента, траектория мобильной электромеханической системы при таком законе управления зависит от величины коэффициентов трения для каждой пары колес. Так, при одинаковых коэффициентах трения траектория платформа практически линейна, однако угол поворота на первом этапе движения существенно различается при минимальном (кривая 1), среднем (кривая 2) и максимальном (кривая 3) значениях коэффициента трения. При значительной разнице между коэффициентами трения для каждой их пар колес наблюдается перемещение робота на первом этапе движения одновременно с поворотом корпуса, при соотношении ПЛ2>1 - кривая 4, ПЛ2<1 -кривая?.

У, м 0.0« 0.06 0.04 0.01 О

•0.02 -0.04 •0.06 •0 03

2 1

• 4

-0.es -0.06 -0.04 »0.02 О 0.02 0.04 0.06 Х,ы| Рис. 9 Траектории движения центра масс корпуса: 1 - при минимальном коэффициенте

гренпя, 2 - при среднем значении коэффициента трения, 3 - при максимальном значении коэффициентов трения, 4 - при соотношении коэффициентов трения П/П>1 , 5 - при соотношении коэффициентов трения ЛЛ2<1

Для определения нормальных реакций в точках контакта мобильной электромеханической системы с поверхностью была рассмотрена динамическая модель мобильного устройства, схема которого представлена на рисунке 10. Отличительной особенностью этой модели является наличие шарнирного соединения, между корпусом и задней осью системы.

Рис. 10 Расчетная схема мобильной двухсекционной электромеханической I

При моделировании мобильной электромеханической системы были отдельно рассмотрены его две секции, соединенные шарнирами. Для каждой секции были записаны закон о движении центра масс и закон об изменении кинетического момента, а также выражения для сил трения. После преобразований были получены

выражения для нормальных реакций в точках контакта каждого из колес платформы (4) и дифференциальные уравнения, описывающие движение устройства (5).

(а,-а2)(«3 +а4) а,-(а, -а2)-(а3 +я4) а, • аъ + а, ■ а, - а2 ■ а3 - а1 ■ а4

(4)

ту =

J'Ф =

(5)

'К, С05(р)+ + Кр, ^ со${<р)+

В результате численного моделирования получены временные характеристики сил нормальной реакции при разгоне системы:

1 «иН

12.6

12.5

12.3 12 7. V

А мга

-_г" ■

12.6 12.5 12.4 12.3 12.2

Чн

1,с

12.Э 12.2 12.1 12 11.9

1,с

Рис. 11 Изменение нормальных реакций в точках контакта при разгоне

Анализируя полученные зависимости, обратим внимание на то, что в начале движения нормальные реакции в задних и передних парах колес отличаются, но в процессе движения они стремятся к общему значению. Кроме того, полученные величины подтверждают возможность использования допущения о том, что силы реакции в процессе движения не изменяются, так как изменение из значений не превышает 5%.

В четвертой главе представлена конструкция экспериментального стенда, включающая макет мобильной электромеханической системы, использующей попарно кинематически связанный колесный движитель, макеты препятствий, измерительную систему.

Рис. 12 Внешний вид макета мобильного робота

С целью проверки адекватности разработанных математических моделей движения системы, были проведены натурные испытания прямолинейного движения, а также движения по заданной траектории.

При исследовании криволинейного движения устройства напряжение питания для приводов формировалось согласно законам, представленным на рис 8 при этом для получения графиков траектории, использовалась покадровая расшифровка видеозаписи, снятой в процессе испытаний. Полученные результаты соответствуют результатам, полученным в третьей главе диссертации (рис 12)

И 1 2 /

1 У И

[

1 - экспериментальные данные, 2 - данные, полученные пр., модели ро ..а......

I ис. и Совмещенные графики результатов исследования движения

Полученные результаты моделирования сопоставимы с результатами полученными в ходе численного моделирования. Погрешность составила порядка 4- / /О, что говорит об адекватности построенных математических мрделей

Также в четвертой главе представлены результаты разработки инструментальных средств проектирования (рис. 14).

Рис. 14 Внешний вид интерфейса программного комплекса для расчета параметров электромеханической системы

Использование разработанного комплекса программ позволяет осуществлять синтез параметров конструкции, производить моделирование и настройку системы управления электромеханических систем в различных режимах движения, исследовать влияние свойств поверхности на динамические характеристики и траекторию движения устройства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе проведенных исследований и обобщений в диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Выполнен анализ возможности применения колесного движителя с попарно кинематически связанными колесами в конструкциях мобильных мини-роботов.

2. Разработана математическая модель мобильной электромеханической системы, описывающая динамику управляемого движения системы в различных режимах функционирования, учитывающая свойства электроприводов и взаимодействие с шероховатой поверхностью.

3. Построен алгоритм и разработана методика расчета динамического процесса управляемого движения мобильной электромеханической системы, оснащенной движителем с кинематически попарно связанными колесами.

4. Выполнено исследование динамических особенностей и закономерностей движения мобильной электромеханической системы. Произведена оценка влияния свойств поверхности и параметров конструкции на управляемое движение устройства.

5. Разработан экспериментальный образец мобильной электромеханической системы с попарно кинематически связанными колесами и составлена методика проведения натурных экспериментов. Проведены экспериментальные исследования движения в различных режимах.

6. Разработаны инструментальные средства проектирования мобильных электромеханических систем с попарно кинематически связанными колесами в виде комплекса программ, позволяющих производить синтез конструкции устройства, определять параметры системы автоматического управления, проводить математическое моделирование системы автоматического управления движением системы.

Публикации в рецензируемых научных журналах н изданиях

1. Яцун, С.Ф. Экспериментальные исследования мобильного гусеничного робота при прямолинейном движении [Текст] / С.Ф. Яцун, Чжо Пьо Вей, A.B. Мальчиков и др. // Известия Юго-Западного государственного университета - 2012 -№1,-С. 85-95.

2. Яцун, С.Ф. Исследование динамических режимов гусеничного мобильного робота при взаимодействии с неподвижным препятствием [Текст] / С.Ф. Яцун, Чжо Пьо Вей, С.И. Савин, Шевякин В.Н. // Известия Юго-Западного государственного университета. -2013 -№5(50). -С. 191-199.

3. Яцун, С.Ф. Математическое моделирование мобильного г усеничного робота [Электронный ресурс] / С.Ф. Яцун, Чжо Пьо Вей, А.В Мальчиков, Е.С. Тарасова // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №6. - Режим доступа-www.science-education.ru/l 13-11005 (дата обращения: 25.02.2014).

4. Яцун, С.Ф. Исследование закономерностей движения мобильного робота как части мультиагентной системы [Текст] / С.Ф. Яцун, Чжо Пьо Вей,"С.И: Савин'//' Известия Юго-Западного государственного университета. - 2014. - № 1 (52). - С, 102-

Другне публикации

5. Чжо Пьо Вей. Mathematical modeling of tracked robot [Текст] / Чжо Пьо Вей // Молодежь и XXI век - 2012 : материалы IV международной молодежной научной конференции / г. Курск, 2012. С - 250

6. Чжо Пьо Вей. Особенности поведения системы автоматического управления при различном уровне нагруженности гусеничного робота [Текст] / Чжо Пьо Вей, С.И. Савин // Молодежь и XXI век: материалы IV международной молодежной научной конференции, г. Курск 2012. С. 246-249.

Подписано в печать_._._. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 12.. Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94. Отпечатано в ЮЗГУ

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Чжо Пьо Вей, Курск

Юго-Западный государственный университет

На правах рукописи

04201459993

ЧЖО ПЬО ВЕЙ

ДИНАМИКА УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ПОПАРНО КИНЕМАТИЧЕСКИ СВЯЗАННЫМИ

КОЛЕСАМИ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Яцун Сергей Федорович

Курск-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ..........................................9

1.1 Классификация мобильных электромеханических систем...............11

1.2 Обзор конструкций существующих гусеничных мобильных систем ..................................................................................................................................14

1.3 Обзор существующих конструкций колесных электромеханических систем......................................................................................................................26

1.4 Цель и задачи диссертации...................................................................33

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ПОПАРНО КИНЕМАТИЧЕСКИ СВЯЗАННЫМИ КОЛЕСАМИ.................................35

2.1 Описание конструкции и принцип движения электромеханической платформы с попарно кинематически связанными колесами..........................35

2.2 Кинематический анализ движения мобильной платформы с попарной кинематической связью между колесами..........................................37

2.3 Исследование динамических особенностей движения мобильной электромеханической системы.............................................................................48

2.4 Моделирование динамики электроприводов......................................60

2.5 Численное моделирование движения системы..................................63

2.6 Выводы по второй главе.......................................................................72

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ МОБИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ......................73

3.1 Исследование прямолинейного движения платформы при типовых управляющих воздействиях..................................................................................73

3.2 Исследование динамики мобильной электромеханической системы при движении по криволинейной траектории....................................................84

3.3 Исследование программно-управляемого движения мобильной электромеханической системы.............................................................................89

3.4 Исследование динамики мобильной электромеханической системы с двухмодульной конструкцией...........................................................................92

3.5 Исследование прямолинейного движения составной электромеханической системы робота..............................................................107

3.6 Выводы к третьей главе......................................................................118

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.................................................120

4.1. Проектирование прототипа мобильной платформы.......................120

4.2. Экспериментальные исследования прямолинейного движения мобильной системы.............................................................................................125

4.3. Экспериментальные исследования вращательного движения системы под действием внешней силы.............................................................129

4.4. Экспериментальные исследования криволинейного движения мобильной системы.............................................................................................132

4.5. Экспериментальные исследования мобильного робота как части мультиагентной системы....................................................................................134

4.6. Инструментальные средства проектирования мобильных электромеханических систем с кинематически связанными колесами.........138

4.7. Выводы по четвертой главе...............................................................142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................143

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ..............................................154

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Использование робототехнических устройств для решения задач удаленного мониторинга, слежения, поисковых работ и т.д. в условиях повышенной опасности приобретает в настоящее время все большее распространение. Область применения мобильных колесных и гусеничных систем чрезвычайно широка и обусловлена очевидными преимуществами подобной техники, среди которых можно выделить: высокую проходимость, маневренность, высокую надежность и относительную простоту конструкции. Наибольшее распространение для поисково-разведывательных операций на пересеченной местности получили полноприводные колесные и гусеничные комплексы[12,13,29,34,73]. Это обусловлено повышенной проходимостью, возможностью преодоления препятствий, высокой маневренностью и хорошей динамикой перемещения таких машин.

Наиболее высокую проходимость и грузоподъемность, как правило, имеют гусеничные машины, однако, сложность многозвенной конструкции гусеничного движителя делает невозможным использование их в конструкции миниатюрных роботов [20-24]. Полноприводные колесные машины также имеют высокую проходимость по вязким грунтам и неровностям поверхности, однако требуют наличия развитой приводной системы, что также усложняет разработку, эксплуатацию и ремонт ходовой части машины[5,38,39].

Использование в конструкции мобильных электромеханических систем попарно кинематически связанных колес позволяет не только обеспечить высокую проходимость и маневренность системы, но и сохранить простоту компоновки шасси. Данный подход к построению колесного движителя позволяет миниатюризировать мобильную электромеханическую систему, что дает возможность использовать ее для проведения скрытых

разведывательных операций и поисковых работ в ограниченном пространстве, например в завалах, расщелинах и т.д.

Однако подобные устройства представляют собой сложные электромеханические системы, проектирование которых требует тщательного изучения динамических эффектов, возникающих в различных режимах функционирования.

Работы по созданию математического описания динамики колесных и гусеничных машин ведутся достаточно давно. Известны работы профессоров Кристи М.К., Львова Е.Д., Медведева М.И., Опейко Ф.А., Груздева Н.И., Антонова A.C. и др. по теории гусеничных машин и тракторов. Теория колесных транспортных систем исследовалась в работах Буданова В.М., Бурдакова С.Ф., Девянина Е.А., Зенкевича C.JI., Мартыненко Ю.Г., Мирошника И.В., Охоцимского Д.Е., Павловского В.Е., Подураева Ю.В., Стельмакова Р.Э., Формальского A.M. и др. Созданием гусеничных и колесных мобильных роботов занимаются научные коллективы МГТУ им. Баумана, ЦНИИ РТК (Санкт-Петербург), Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН, ЮЗГУ (Курск) и др.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

2. Разработка математической модели, описывающей динамику управляемого движения мобильной электромеханической системы с кинематически связанными колесами в различных режимах функционирования, учитывающей свойства электропривода и взаимодействие с шероховатой поверхностью.

6. Разработка инструментальных средств проектирования мобильных электромеханических систем с попарно кинематически связанными колесами, позволяющих определить конструктивные параметры и произвести моделирование системы автоматического управления движением.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением теоретических и экспериментальных методов теории машин и механизмов, теоретической механики, теории автоматического управления,

теории электропривода, а также теории планирования эксперимента и прикладного программирования.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель мобильной электромеханической системы, оснащенной движителем с кинематически связанными колесами, отличительной особенностью которой является учет нелинейных сил трения, возникающих в точках контакта устройства с шероховатой поверхностью, динамических процессов, протекающих в электроприводах ограниченной мощности, сил вязкого сопротивления движению.

2. Алгоритмы численного моделирования процесса управляемого движения, включающие расчеты различных режимов движения объекта в зависимости от внешних условий функционирования.

3. Алгоритм и методика численного расчета нормальных реакций взаимодействия колесного движителя с шероховатой поверхностью

4. Научно обоснованная методика расчета параметров конструкции, определения мощности двигателей и синтеза параметров регулятора системы автоматического управления приводами устройства, учитывающая процессы взаимодействия системы с внешней средой.

Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований.

функционирования системы. Данная методика может быть использована при проектировании гусеничных и колесных мини-роботов, применяемых для поисковых, спасательных и разведывательных задач.

Разработан экспериментальный стенд, включающий прототип мобильной электромеханической системы с попарно кинематически связанными колесами, макеты различных препятствий, в том числе подвижных, а также фрагменты участков пересеченной местности и измерительную систему, позволяющий проводить экспериментальные исследования процесса движения устройства в различных режимах, производить настройку системы управления приводами, отрабатывать алгоритмы взаимодействия объекта с различными препятствиями.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации доложены и одобрены на вузовской научной конференции студентов и аспирантов в области научных исследований: Всероссийской научной школе для молодежи «Мехатроника, робототехника, Современное состояние и тенденции развития» (г. Курск 2011), II международной молодежной научной конференции «Молодежь и XXI век» (г. Курск 2012), V Международной научно-технической конференции «Вибрация-2012» (г. Курск 2012), II международной молодежной научной конференции «Молодежь и XXI век» (г. Курск 2013), на семинарах кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ (Курск, 2011-2014 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 4 статьи в рецензируемых научных журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 98 наименований. Текст диссертации изложен на 153 страницах, содержит 118 рисунков, 6 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

На сегодняшний день мобильные электромеханические системы используются для решения широкого спектра задач. Многообразие областей применения обуславливает наличие большого количества различных конструкций мобильных систем.

В общем случае с точки зрения применения можно выделить следующие типы устройств:

• поисковые роботы,

• машины для ликвидации последствий аварий,

• военные колесные и гусеничные роботы,

• электромеханические системы, осуществляющие мониторинг недоступных объектов.

Мобильные системы могут оснащаться видеооборудованием, манипуляторами, специализированным оборудованием, в том числе, военного назначения[12,13,29,34,73].

Особенностью проектирования гусеничных и колесных самоходных машин является недостаточная проработка математического аппарата, позволяющего автоматизировать процесс проектирования. Существует ряд способов расчета мобильных систем, однако, как правило, на практике используются аналитические аппроксимации экспериментально полученных данных. Формулы для расчета таких движителей содержат множество табличных коэффициентов, полученных в процессе исследования эксплуатации машин[19,23,24].

Наибольшую сложность имеют задачи проектирования мобильных электромеханических систем, так как требование автономности может быть удовлетворено только при учете сил трения, изменяемых при движении нормальных реакций, динамики приводов устройства.

Существующие на сегодняшний день математические модели условно

можно разделить на две категории. Первая — это упрощенные расчеты, не учитывающие динамические особенности движения устройства. Такой подход можно использовать при предварительном расчете ходовой части, однако, для более точной настройки, необходимо проводить натурные испытания и вносить изменения в конструкцию механизмов, что в свою очередь затрудняет разработку, увеличивая стоимость и время проектирования устройства.

Ко второй группе методов расчета можно отнести работы, в которых достаточно точно описано поведение электромеханических систем. Часто системы уравнений, описывающие динамику движения машины, достаточно сложны, включают большое количество дополнительных расчетов, нелинейных коэффициентов, и т.п. Такие способы сложно реализовать в виде отдельных инструментальных средств проектирования, они требовательны к производительности компьютера. Часто подобные математические модели имеют узкую направленность, что также не позволяет использовать данный подход для решения поставленной задачи.

Для решения данной проблемы является актуальной задача построения оригинальной математической модели, описывающей динамику движения мобильной электромеханической системы, учитывающей продольные и поперечные силы трения, динамику электроприводов и т.д.

В следующих разделах первой главы диссертационной работы рассмотрим общую классификацию движителей мобильных транспортных систем, а также обзоры существующих устройств.

1.1 Классификация мобильных электромеханических систем

Основой любой мобильной электромеханической системы является шасси. Под шасси понимается совокупность механизмов, осуществляющих передачу крутящего момента от приводов устройства к активным элементам движителя - ведущим колесам или звездочкам, шкивам, выходным звеньям механизмов изменения геометрии шасси или механизмов шагания и т. д.

В конструкциях наземных мобильных роботов, также как и в транспортных средствах общего назначения, нашли применение колесный и гусеничный движители. Часто для обеспечения повышенной проходимости устройства дополнительно оснащаются различными активными или пассивными механизмами адаптации. Это позволяет существенно повысить показатели профильной проходимости машины и наделить ее рядом дополнительных функций. Широкое распространение также получили различные ползающие, шагающие, вибрационные и др. типы движителей.

В общем случае можно выделить три больших класса: колесные наземные мобильные роботы, шагающие наземные мобильные роботы и гибридные наземные мобильные роботы. Помимо этих трех наиболее многочисленных классов мобильных роботов существует большое количество специализированных мобил