авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Ордена Ленина

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ

имени М.В.Келдыша

Российской академии наук

МЕХАНИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ

АВТОНОМНОГО МНОГОКОЛЕСНОГО

АППАРАТА

Алисейчик Антон Павлович

Специальность:

01.02.01 теоретическая механика

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель проф., д. ф.-м. н. Павловский В.Е.

Москва 2013 Содержание 1 Обзор публикаций, посвященных колесным, шагающим и колесно-шагающим роботам 11 2 Методика исследования комфортабельности движения ше стиколесного робота с пассивной независимой подвеской 38 2.1 Модель шестиколесного робота................. 2.2 Модель подвески......................... 2.3 Метод управления........................ 2.4 Модель контакта колеса с дорогой............... 2.5 Модель неровностей дороги................... 2.6 Построение списка экспериментов............... 2.7 Структуризация и анализ результатов............. 2.8 Основные заключения о пассивной подвеске......... 3 Управление движением шестиколесного робота с меканум колесами 3.1 Математическая модель меканум-колеса............ 3.2 Построение модели колеса. Препроцессинг.......... 3.3 Моделирование движения меканум-колеса.......... 3.4 Управление движением шестиколесного ровера на меканум колесах.............................. 4 Исследование динамики движения и синтез управления ро бота с активной подвеской 4.1 Оптимизация и выбор массово-инерционных и геометриче ских характеристик аппарата.................. 4.2 Управление, движение по поверхностям разного типа с пас сивной подвеской для шестиколесного пневматического ап парата............................... 4.3 Силовое управление активной подвеской........... 4.4 Движение по поверхностям с микро/макро неровностями.. Список используемых сокращений АБМ Адамс–Бэшфорт–Моултон АМС Автоматическая межпланетная станция ВМС Военно-морские силы ГДЛ Газодинамическая лаборатория ИПМ Институт прикладной математики МГТУ Московский Государственный Технический Университет МГУ Московский Государственный Университет НМША Натурный макет шагающего аппарата ОАО Открытое акционерное общество ОС Операционная система ПрОП-М Прибор оценки проходимости–Марс РИТЭГ Радиоизотопный термоэлектрический генератор СК Система координат СКБ ПА Спец. конструкторское бюро приборостроения и автоматики УМ Универсальный Механизм ШИМ Широтно-импульсная модуляция ЭВМ Электронная вычислительная машина ASIMO Advanced Step in Innovative MObility ATHLETE All-Terrain Hex-Legged Extra-Terrestrial Explorer CMU Carnegie Mellon University CV Computer Vision EM Expectation-maximization EPFL Ecole Polytechnique Federale de Lausanne ESA European Space Agency GMMs Gaussian Mixture Models JPL Jet Propulsion Laboratory KUKA Keller und Knappich Augsburg M.U.L.E. Multifunction Utility/Logistics and Equipment NASA National Aeronautics and Space Administration ODV Omni-Directional Vehicle PC Personal computer PECE Prediction-evaluation-correction-evaluation PEGASUS Perspective Gait Supervisory System PPM Park-Parallel Method QRIO Quest for cuRIOsity ReCUS Remotely Controlled Underwater Surveyor RMS Root mean square SOLERO Solar-Powered Exploration Rover TARDEC Tank Automotive Research, Development and Engineering Center TITAN Tokyo Institute of Technology, Aruku Norimono UM Universal Mechanism WFM The Walking Forest Machine Введение Актуальность темы В настоящее время российские и иностранные разработчики уделяют большое внимание исследованию аппаратов с повышенной проходимостью.

Во всем мире в различных отраслях промышленности и сельского хозяй ства, для исследования космоса, мирового океана и других труднодоступ ных областей ведутся разработки подобных аппаратов для реализации за дач, с которыми не справляются существующие мобильные экипажи [1].

Существует два основных требования к таким аппаратам: с одной сторо ны крайне важно двигаться по поверхности с большой скоростью, с дру гой аппарат не должен испытывать существенных перегрузок и ударов.

Для того, чтобы аппарат надежно управлялся, необходим устойчивый и непрерывный контакт с поверхностью. Аппарат должен быть пригоден для транспортировки. Кроме того, аппарат (с характерными размерами поряд ка метра) должен преодолевать препятствия размеров, сравнимых с соб ственной высотой, и различной формы. Для увеличения быстродействия система управления должна принимать решения об изменении курса или способа перемещения во время движения в реальном времени.

Отмеченные факторы делают актуальной цель работы создание и исследование системы управления и динамических моделей автономного адаптивного и маневренного многоколесного аппарата высотой порядка по луметра, способного быстро перемещаться по неподготовленной поверхно сти и преодолевать препятствия с размерами, сравнимыми с собственными.

Отметим, что задача построения аппаратов, в том числе автоматиче ских, перемещающихся по неровной сплошной поверхности, в настоящее время остается крайне актуальной. Создание роботов, перемещающихся по бездорожью или по поверхности со значительными препятствиями, важно как для наземной робототехники при работе в условиях отсутствия дорог или, например, при исследовании вулканов, так и для космических пла нетных задач, типа новых задач создания транспортных роботов Лунной Базы [2].

Задача эта имеет несколько аспектов: I это задача перемещения по местности со значительными препятствиями. Ей зарубежные и российские (рис. 1) разработчики уделяют большое внимание как исследованию аппа ратов с повышенной проходимостью. В статье [3] приведена одна из воз можных классификаций этих аппаратов, она дана в табл. 1.

Таблица 1. Классификация аппаратов с повышенной проходимостью Назначение Способ управления Конструктивные особен ности (по типу движите ля) Научно- Управляемые водителем, Колесные;

исследовательские;

находящимся на борту;

Разведывательные;

Управляемые оператором Гусеничные;

дистанционно;

Аварийно-спасательные;

Управляемые дистан- Гусенично-модульные;

ционно стационарной ЭВМ;

Аварийно-ремонтные;

Управляемые бортовой Шагающие;

ЭВМ.

Грузовые;

Колесно-шагающие;

Пассажирские;

Прыгающие.

Землеройные;

Дорожно-строительные;

Строительно-монтажные.

Для передвижения по сложной неровной поверхности могут применять ся и иные решения. Один из современных примеров аппарат с ло мающимся корпусом, разработанный французской компанией Robosoft (рис. 2). Модель рассчитана в большей степени на преодоление сложных неровностей, чем на развитие высокой скорости, у аппарата также отсут ствует подвеска.

В качестве других примеров можно привести американский аппарат LandShark и отечественный мобильный робот легкого класса ТМ-3, раз Рис. 1. Аппарат с поворотными колесами Рис. 2. Аппарат robuROC- работанный в МГТУ им. Н.Э.Баумана. Отметим, что все эти аппараты предназначены для движения по пересеченной местности со средними ско ростями.

II это задача разработки аппаратов и роботов, способных переме щаться по неровной поверхности со скоростями, сравнимыми со скоростя ми движения по обычным дорогам. Здесь весьма важным элементом для колесных роботов становится подвеска колес аппарата. Ниже даны их ти пы.

Типы подвесок 1. По способу соединения с корпусом (рамой) машины:

• Жесткие;

• Полужесткие (тракторные);

• Мягкие (эластичные и упругие).

2. По связи колес с упругими элементами:

• С продольными рычагами (маятниковая);

• С поперечными рычагами:

– многорычажная – двухрычажная – o однорычажная (типа Макферсон на рулевой оси, типа Чепмен на задней оси);

• Телескопическая.

3. По способу соединения колес между собой:

• Независимая (индивидуальная);

• Блокированная (зависимая);

• Смешанная.

4. По типу упругого элемента:

• Пневматическая;

• Пружинная;

• С листовой рессорой;

• Торсионная.

5. По управляемости:

• Активная (управляемая);

• Полуактивная (управляется только дорожный просвет);

• Пассивная (неуправляемая).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Объект исследования Основными объектами исследования являются: прототип аппарата, его компьютерные модели, а также вспомогательные и упрощенные субмодели.

Предмет исследования Исследуется механика, динамика движения и синтез управления мно гоколесного мобильного робота с пассивной и активной подвеской.

Цель работы и Задачи Цель состоит в разработке модели прототипа автономного шестиколес ного аппарата (робота), способного преодолевать большие препятствия и передвигаться по поверхности с макро- и микронеровностями со скоростью, большей по сравнению с существующими мобильными роверами (оценива емой в 12 км/ч).

Задачи заключаются в выявлении закономерностей движения, анали зе динамических особенностей, определении конструктивных параметров и синтезе рациональной системы управления. Выделяются следующие под задачи:

1. Определение характеристик комфортабельности движения и нахож дение их зависимости от геометрических и массово-инерционных па раметров шасси для проектирования последнего под задачу.

2. Формулировка рекомендаций по выбору параметров подвески и гео метрических, массово-инерционных характеристик аппарата.

3. Построение алгоритмов распознавания препятствия и синтеза управ ления аппаратом с активной подвеской.

Методы исследования Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической механики, теории робототехнических систем, вычислительной математи ки и систем управления, компьютерного моделирования и распознавания образов.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту Разработана концепция нового типа активной подвески, которая мо жет быть успешно использована в качестве пассивной или полуактивной для малогабаритных мобильных роботов. Разработана модель и исследо ван прототип легкого маневренного аппарата, решающего поставленные задачи. Для него синтезировано управление для преодоления препятствий размеров, сравнимых с размерами аппарата, и приведена методика оптими зации параметров подвески. Разработан обучающий алгоритм для преодо ления препятствий. Предложена система управления, принимающая реше ния в реальном времени.

Достоверность результатов Основные научные результаты диссертации получены на основе фунда ментальных положений и методов теоретической механики, динамики ма шин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены экспериментальными данными и соответствуют теоретиче ским оценкам.

Практическая ценность В работе предложена методика построения шасси быстроходных, манев ренных аппаратов, способных также преодолевать препятствия размеров, сравнимых с размерами аппарата. Данная методика может быть исполь зована на широком круге мобильных устройств. Система распознавания препятствий и синтеза управления может быть применена в разных отрас лях робототехники.

Апробация диссертации Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях: Aliseychik A.P., Orlov I.A. Mecanum-Wheel Mathematical Model / III Российско-тайваньский сим позиум Современные проблемы интеллектуальной мехатроники, механи ки и управления Алисейчик А.П., Павловский В.Е. Исследование динамики движения мобильного робота с меканум-колесами. / Тр. Международной молодеж ной научно-практической конференции Мобильные роботы и мехатрон ные системы, НИИ механики МГУ, 03-05.10.2011. М.: Изд. МГУ. с. 23-26.

Результаты докладывались на семинарах кафедры теоретической ме ханики и мехатроники МГУ им. М.В. Ломоносова и семинарах Института прикладной математике им. М.В. Келдыша РАН.

Публикации Основные результаты диссертации изложены в рецензируемом научном журнале Проблемы управления.

Алисейчик А.П., Павловский В.Е. Модель и динамические оценки управляемости и комфортабельности движения многоколесного мобильно го робота / Проблемы управления. 2013. №1. С. 70–78.

Алисейчик А.П., Павловский В.Е. Методика исследования динамиче ской комфортабельности движения многоколесного мобильного робота / Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша. 2010. №84. 27 с.

1 Обзор публикаций, посвященных колес ным, шагающим и колесно-шагающим ро ботам Планетоходы Значительная часть аппаратов, подобных исследуемому в данной рабо те, является планетоходами. Подобные устройства, предназначенные для эксплуатации на земле, стали появляться значительно позже. Таким об разом, разработка и исследование изучаемых моделей опираются на ра боты [3], [4], [16], посвященные описанию различных планетоходов. Все внеземные планетные аппараты (планетоходы), когда-либо реально пере мещавшиеся по поверхности планет, были либо исследовательскими, либо транспортными. Теоретически возможно использование подобных роботов и для других целей, например, в качестве передвижных ретрансляторов и убежищ, а также для проведения строительных работ. Кроме того, по добные планетоходам дистанционно управляемые или автономные аппа раты могут использоваться на Земле для выполнения работ в условиях, представляющих опасность для жизни или здоровья людей например, в условиях высокой радиоактивности или при разминировании.

Рис. 3. Луноход-1 и Lunar Rover Первый планетоход, Луноход-1 (рис. 3 слева), был доставлен на по верхность Луны 17 ноября 1970 года автоматической межпланетной стан цией Луна-17. Его целью было изучение особенностей лунной поверхно сти, химического состава и свойств грунта, а также радиоактивного косми ческого излучения на луне. Этот аппарат успешно проработал до 14 сен тября 1971 года, после чего вышел из строя. За время нахождения на по верхности Луны проехал 10540 м и передал на Землю 25 тысяч фотографий и 211 лунных панорам. Более чем в 500 точках по трассе движения изу чались физико-механические свойства поверхностного слоя грунта, а в точках проведен анализ его химического состава.

Лунный автомобиль (рис. 3 справа) (англ. Lunar Rover ) четы рехколесный транспортный планетоход для перемещения людей по поверх ности Луны, использовавшийся в ходе последних экспедиций программы Аполлон Аполлон-15, Аполлон-16 и Аполлон-17 в начале 1970-х годов. Аппарат представлял собой электромобиль на двух неперезаряжа емых 36-вольтных батареях емкостью 121 А·ч. Управление электромоби лем поручалось командиру экипажа. Лунный ровер был снабжен четырь мя двигателями постоянного тока (по одному двигателю для каждого из колес) и двумя рулевыми двигателями (по одному для передних и задних колес). Конструкцией предусматривалась возможность питания от батарей электромобиля устройства связи или телекамеры. Батареи и электроника были снабжены системой пассивного охлаждения. Использование вездехо дов должно было значительно расширить доступную площадь лунной по верхности, т.к. ранее астронавты могли перемещаться только в непосред ственной близости от места посадки из-за скафандров и других приборов жизнеобеспечения, которые существенно сковывали их движения. Пользу ясь же вездеходом, можно было развивать скорость до 13 км/ч. В ходе экспедиции Аполлон-16 был установлен рекорд скорости передвижения по Луне 18 км/ч. Общая длина пути, пройденного вездеходами в экс педициях Аполлон-15, -16 и -17, составила соответственно 28, 27 и 36 км.

Электромобиль имел массу 210 кг и грузоподъемность в условиях лунной силы тяжести 490 кг. Алюминиевая рама длиной в 3 м с колесной базой в 2,3 м состояла из трех частей, скрепленных шарнирами, благодаря чему она складывалась и во время полета к Луне хранилась в лунном модуле в сложенном виде. Максимальная высота автомобиля составляла 1,1 м [21].

Рис. 4. Луноход-2 и Mars Exploration Rover Луноход-2 второй из серии советских лунных дистанционно управляемых самоходных аппаратов-планетоходов Луноход (рис. 4 сле ва). Он предназначался для изучения механических свойств лунной поверх ности, фотосъемки и телесъемки Луны, а также для наблюдений за солнеч ным излучением и прочих исследований. По своей конструкции Луноход 2 почти не отличался от предыдущей модели Лунохода-1, масса Лунохода-2 составляла 836 кг.

Прибор оценки проходимости Марс (ПрОП-М ) название совет ских марсоходов, построенных в 1971 году. Среди других планетоходов эти аппараты выделяются прежде всего своей системой передвижения: для пе ремещения по поверхности марса данные аппараты были снабжены двумя параллельными шагающими лыжами, размещенными по бокам. Такая необычная система передвижения была выбрана из-за отсутствия каких либо сведений о поверхности планеты.

Марсоход Соджонер являлся частью миссии аппарата Марс Пат файндер, совершившего посадку на Марсе 4 июля 1997 года [42]. Это был первый случай удачного запуска марсохода. За время своей миссии, про должавшейся до 27 сентября 1997 года, этот небольшой марсоход сделал и передал 550 фотографий и более 15 раз провел химический анализ камней и грунта с марса.

Mars Exploration Rover продолжающаяся миссия по исследованию Марса (рис. 4 справа) двумя схожими марсоходами Спирит и Оппор тьюнити. Посадочный модуль со Спиритом совершил посадку на Мар се 4 января 2004 г., а модуль с Оппортьюнити 25 января 2004 г. Задача миссии состоит в изучении поверхности Марса и его геологии. Среди ос новных задач обнаружение и описание различных типов скал и грунтов, что может помочь в исследовании вопроса о наличии и формах воды на этой планете [19].

В рамках экспедиции Чандраян-2 планируется использование шести колесного лунохода весом 58 кг, работающего на солнечных батареях, для изучения района южного полюса Луны в течение одного года [46].

Для участия в миссии ExoMars Европейским космическим агент ством разрабатывается марсоход весом 205 кг, сравнимый по размерам со Спиритом и Оппортьюнити. Этот аппарат также будет использовать солн це в качестве источника энергии, для чего будет оснащен двумя солнечны ми батареями. Запуск его к Марсу планируется на 2016 г.

Рис. 5. Lunar Electric Rover и ATHLETE Lunar Electric Rover транспортный луноход (рис. 5 слева) размером с грузовик. Данный вездеход обладает 6 ведущими колесными осями. Ап парат работает от аккумуляторов, позволяющих ему в условиях лунной гравитации и поверхности развивать скорость до 10 км/час. В герметич ной кабине устроены места для двух астронавтов и небольшой отсек для грузов.

Луноход ATHLETE (дословно Аппарат для исследования внеземных поверхностей любого типа, снабженный шестью конечностями ) автома тический шестиногий транспортный вездеход (рис. 5 справа), разрабаты ваемый Jet Propulsion Laboratory (JPL) и NASA c 2008 г. [25].

Колесные роботы Колесные роботы являются одними из первых появившихся робототех нических систем. Основные принципы работы и устройства таких аппара тов описаны в публикациях [48] и [35]. Ниже приведены некоторые приме ры колесных роботов. В 1986 г. для ликвидации последствий Чернобыль ской катастрофы советскими учеными был спроектирован, изготовлен и прошел всесторонние испытания специализированный транспортный ро бот (СТР ). Это шестиколесная машина (рис. 6 слева) с дистанционным управлением (по радиоканалу и с телевизионной обзорной системой). В конструкции СТР отражены многие принципы и технические решения из планетоходного задела: мотор-колеса с индивидуальным приводом, элек тромеханический привод, дистанционное управление по радиоканалу, на блюдение за окружающим пространством по телевизионному изображению (с помощью бортовых телевизионных камер), автоматизация рабочего про цесса, источники энергии (аккумуляторы, которые периодически подзаря жались), в конструкции использованы легкие сплавы в частности, титан.

Несколько СТР работали на крыше третьего блока Чернобыльской АЭС, в зоне с повышенной радиоактивностью. Следует отметить, что модель имеет похожую кинематическую схему с исследуемым в данной работе аппара том. Однако, аппарат, разработанный в 1986 году, не был предназначен для развития высоких скоростей, в конструкции отсутствовала подвеска, что для скоростных аппаратов неприемлемо.

Рис. 6. СТР и Вездеход-ТМ Вездеход-ТМ3 разработка Ковровского электромеханического за вода (рис. 6 справа) совместно с ОАО СКБ ПА и МГТУ им. Баумана.

Данная модель аппарата повышенной проходимости сверхлегкого класса имеет ряд преимуществ по сравнению с прочими аналогичными разработ ками. Т.к. робот имеет небольшие размеры (40 на 60 сантиметров), а так же маленький вес (около 40 килограммов), он может быть использован в труднодоступных местах и ограниченных пространствах. Аппарат без проблем перемещается в условиях городской инфраструктуры, по пересе ченной местности и даже под водой. На корпусе установлены две цветные камеры, обеспечивающие четкое изображение окружающего пространства для простоты удаленного управления. Робот способен двигаться на одном заряде аккумуляторов в течение двух часов и пройти до 600 метров в усло виях как нормальной, так и слабой освещенности (в темноте). Аппарат предназначен для дистанционного разминирования. Может управляться как с пульта по радио, так и по кабелю. При этом стоимость Вездехода ТМ3 приблизительно 25-30 тысяч долларов, что вдвое меньше стоимости зарубежных аналогов. Разработка удостоена почетного диплома выставки высоких технологий оборонного и двойного назначения Российский щит.

Small Pressurized Rover прототип лунного транспортного планетохо да. Данная модель представляет собой небольшой вездеход с 6 ведущими колесными осями, способный развивать скорость до 10 км/час в услови ях лунной гравитации и поверхности. В герметичной кабине предусмот рены посадочные места для двух астронавтов, а также небольшой отсек для грузов. Расчетное время автономной работы 2 недели или 1000 км.

В Научно-исследовательском бронетанковом центре США (TARDEC) раз работан мобильный шестиколесный робот APD. Планируется, что данный аппарат будет использоваться для доставки грузов на позиции во время военных действий. Робот может передвигаться самостоятельно по заранее намеченному маршруту или управляться оператором, для чего на корпус установлены видеокамеры. Кроме камер наблюдения, на робот установ лено устройство для обнаружения подвижных объектов. Часть сенсоров машины размещена на четырехметровой мачте. Максимальная скорость аппарата около 80 км/час, вес 9,6 т, длина 4,6 м. Планируется его оснаще ние сенсорами для определения препятствий. Бортовой компьютер будет проводить необходимые расчеты и корректировать маршрут робота с пре одолением или объездом различных препятствий. Сейчас машина способна взбираться на горку с уклоном в 37 град. (60%) и разворачиваться на месте за счет вращения колес по бортам в разные стороны. ADP оснащен колеса ми, каждое из которых имеет собственный электромотор, питающийся от литий-ионных аккумуляторов. Их подзарядка осуществляется дизельным генератором.

Рис. 7. robuCAR и совместная разработка CMU и компании Caterpillar Компанией Robosoft на данный момент разработано 5 колесных плат форм: robuLAB 10 (Компактный и быстрый мобильный робот с полезной нагрузкой 30 кг и максимальной скоростью 4 м/с), robuCAR (Открытая мобильная платформа (рис. 7 слева) с полезной нагрузкой 300 кг и макси мальной скоростью 35 км/ч), robuROC-6 (Прочный и быстрый мобильный робот для пересеченной местности с полезной нагрузкой 80 кг и макси мальной скоростью 5 м/с), Wibot4G и Pioneer. Компании Carnegie Mellon University (CMU) и Caterpillar объявили, что поставили перед своими ин женерами задачу автоматизировать управление гигантского карьерного са мосвала (рис. 7 справа) весом 700 тонн, способного перевозить до 240 тонн груза. Мощность автомобиля 3550 лошадиных сил, максимальная скорость 67 км/ч. Таким образом, самый большой грузовик в мире вероятно скоро станет самым большим роботизированным транспортным средством.

Шагающие роботы Гусеничные и колесные движители достаточно известны. Менее извест ны шагающие движители, т.к. из-за технической сложности конструкции и управления они пока не получили в реальной жизни большого распростра нения. Тем не менее, такой принцип передвижения иногда используется в наземной практике (например, шагающие экскаваторы). Шагающему спо собу передвижения уделяется много внимания в исследовательских и по исковых работах, так как это позволяет преодолевать достаточно большие препятствия. Шагоходы, или шагающие роботы разнообразные меха низмы, передвигающиеся с помощью ног. Главной проблемой в создании шагающих аппаратов является отсутствие достаточно мощной, емкой и компактной энергоустановки, обеспечивающей собственно шагание, а так же высокая себестоимость таких конструктов. Однако, в данный момент во многих странах ведутся разработки полноценных шагающих аппара тов военного или прочего назначения. Наиболее известные аппараты та кой конструкции описаны в работах [28], [45], [33], [31]. Так, представители американской Mechanized Propulsion Systems обещают создать образец пригодный для боя к 2025 году. А японская Sakakibara Kikai уже созда ла первый двигающийся образец: развиваемая скорость 1,5 км/ч, вес 1 т, высота 3,4 м.

Рис. 8. Шагающий аппарат Маша В 1968 году Р. Мошер завершил работу над созданием четырехногого механизма с ручным управлением под названием General Electric Walking Truck. В 1972 году в МГУ была разработана модель под именем Рик ша. Она приводилась в движение с помощью двух ног, но имела также четыре колеса. В 1973 году группа советских ученых завершила работу над практической реализацией шестиногой машины (доктор наук, профес сор В.С. Гурфинкель, доктор наук А. Ю. Шнейдер). В 1977 году началось соревнование между США и СССР. В Америке разработкой шагающих механизмов занимался МакГи со своей командой, в Советском Союзе профессор Гурфинкель и коллеги. Русские шестиноги (рис. 8) называ лись Маша. В ответ на Машу МакГи и команда предложили свою версию шестиногого робота, которая весила 136 кг. С 1976 года по 1979 в исследовательском центре Komatsu Ltd. (Япония) велась работа по созда нию аппарата ReCUS (Remotley Controlled Underwater Surveyor). Он имел восемь ног, и был достаточно крупным 8 м в длину, 5,35 м в ширину и 6, м в высоту. Весить такая конструкция должна была порядка 29 тонн. Мак симальная скорость 0,07 м/с. В настоящее время сохранились только его чертежи. В 1979 году группой ученых из Санкт-Петербурга был разрабо тан и сконструирован шестиног, со следующими параметрами: вес кг, длина 60 см, ширина 25 см, высота ног 20 см. В период 1980- гг. американцы продолжили развитие тяжелых роботов с большим коли чеством ног. Изобретатели Сазерленд и Спрулл создали машину длиной в 2,4 метра, развивающую скорость 0,11 м/с. Следующими по хронологии являются японские разработки TITAN III и TITAN IV (TITAN аббреви атура от Tokyo Institute of Technology, Aruku Norimono). Ноги TITAN III были оснащены сенсорами, связанными с электронной системой управле ния, именуемой PEGASUS (Perspective Gait Supervisory System). Данная система позволяла адаптировать движение механизма согласно с измене ниями поверхности. Длина ног TITAN III была 1,2 м и весил он 40 кг.

Рис. 9. НМША и BigDog Наиболее полно был разработан экспериментальный российский натур ный макет (рис. 9 слева) шагающего аппарата (НМША). Этот аппарат длиной 2,25 м, высотой 1,5 м и шириной около 2 м имеет шесть программ но управляемых многозвенных ног. Благодаря удачной адаптивной систе ме он может идти по завалам, хорошо приспосабливаясь к неровностям поверхности. Ноги аппарата также могут быть использованы в качестве манипуляторов.

Прибор оценки проходимости Марс (ПрОП-М) так назывались пер вые в мире марсоходы, созданные в СССР. Они были доставлены на поверх ность Марса в 1971 году при помощи АМС Марс-2 (27 ноября) и Марс 3 (2 декабря), однако свою миссию не выполнили. Спускаемый аппарат Марс-2 стал первым рукотворным объектом, достигнувшим поверхности Марса, однако он разбился при посадке, а Марс-3 проработал лишь секунд (предположительно вышел из строя из-за пылевой бури). Аппараты были оснащены двумя лыжами, находящимися по бокам и немного припод нимающими аппарат над поверхностью, чтобы перемещаться по неисследо ванной поверхности Марса. Манипулятор должен был поместить аппарат на поверхность Марса в область видимости телекамер. Два тонких бруска впереди являются датчиками обнаружения препятствий. Подвижный аппа рат мог определить, с какой стороны находится препятствие, отступить от него и попытаться обойти. Каждые 1,5 метра предусматривались остановки для подтверждения правильности курса движения. Этот простейший ис кусственный интеллект был необходим для запуска на Марсе подвижных устройств, т.к. сигнал от Земли до Марса идет от 4 до 20 минут, что делает практически невозможным дистанционное управление роботом с Земли. К моменту прихода команд с Земли, аппарат, возможно, уже вышел бы из строя.

• Масса 4,5 кг • Размеры корпуса (дшв) 25 см22 см4 см • Способ передвижения шагающее шасси с датчиками обнаружения препятствий.

• Скорость передвижения 1 метр/час. (После перемещения на 1 метр, марсоход останавливался для получения команд управления с Зем ли).

• Научные приборы динамический пенетрометр и гамма-лучевой плотномер.

• Управление дистанционное, по кабелю от спускаемого аппарата АМС. Длина кабеля 15 метров.

• Миссия измерение плотности грунта.

• Проектировщик и изготовитель ВНИИТрансМаш • Главный конструктор Александр Леонович Кемурджиан Не летавший экземпляр марсохода выставлен в музее ГДЛ в Петропавлов ской крепости в Санкт-Петербурге.

Шагающий экскаватор экскаватор на шагающем ходу, чаще всего оснащенный оборудованием драглайна. Гидравлический шагающий дви житель применяется в этих устройствах для того, чтобы снизить нагруз ку на грунт (масса машин может достигать сотен и даже тысяч тонн) и повысить надежность. Достигнув точки назначения экскаватор опирается на грунт опорной плитой в основании;

при необходимости перемещения на шаг вес переносится на опорные платформы ( лыжи );

каждая платформа приводится в действие двумя парами гидроцилиндров. Экскаватор припод нимается над грунтом, смещается на некоторое расстояние и снова садится на грунт опорной плитой. Опорные платформы, в свою очередь, припод нимаются над грунтом и переносятся вперед;

Этот циклический процесс позволяет аппарату успешно перемещаться на небольшие расстояния. Ем кость гидросистемы экскаватора ЭШ-20/90 вмещает 18т масла, давление в системе достигает 200 атм. Фактическая скорость перемещения составляет 60–80 метров в час, максимальная паспортная до 200 м/ч.

В 2005 году фирмой Boston Dynamics при финансовой поддержке Defense Advanced Research Projects Agency был создан четырехногий шага ющий робот BigDog (рис. 9 справа), предназначенный для транспорти ровки снаряжения и помощи солдатам на пересеченной и сложнорельефной местности, где не способен передвигаться обычный транспорт [44]. Вместо колес и гусениц BigDog использует четыре ноги, оснащенные большим ко личеством разнообразных сенсоров. Также у BigDog имеется лазерный ги роскоп и система бинокулярного зрения. Длина робота 0,91 м, высота 0,76 м, вес 110 кг. Аппарат может достигать скорости 6,4 км/ч при пе ремещении по труднопроходимой местности, он способен перевозить кг груза и подниматься на 35 градусную наклонную плоскость. Движения робота контролируются компьютерной системой, которая получает дан ные от различных сенсоров. Эта же система контролирует навигацию и равновесие. BigDog упоминается в статьях New Scientist, Popular Science, Popular Mechanics и Wall Street Journal, а также в нескольких видео на сайте youtube.com. 18 марта 2008 года Boston Dynamics выпустила видео о новом поколении робота BigDog, где продемонстрирована возможность аппарата ходить по ледяной поверхности и восстанавливать равновесие по сле удара сбоку. BigDog оснащен двухтактным одноцилиндровым двигате лем со скоростью вращения 9000 об/мин (двигатель карта). Мотор служит приводом для гидронасоса, который питает гидродвигатели ног по для каждой ноги, два для бедренного сустава, один для коленного и один для голеностопного суставов. Гидродвигатель представляет собой гидро цилиндр с сервоклапаном, оснащенный датчиками положения и усилия.

Робот обладает хорошей устойчивостью: во время испытаний он не падал при проходе по льду и при сильных толчках. Однако, автомобильный дви гатель работает довольно шумно, из-за чего слышен громкий звук мотора при шагании аппарата, что может быть крайне нежелательно при исполь зовании BigDog в военных операциях. Бортовой компьютер представля ет собой упрочненный вариант платформы PC/104 с процессором класса Pentium под управлением ОС QNX.

В 2006 году компанией Sony были выпущены два шагающих робота игрушки (рис. 10 слева) QRIO (андроидный робот 0,6 м высоты 7,3 кг) и AIBO (робот-собака). В 2000 году компания Honda начала разработку андроидного робота AISMO высотой 130 см и весом 54 кг, развивающего скорость 6 км/ч. К 2009 году было произведено 100 штук ценой 1 млн Рис. 10. QRIO, AIBO и The Walking Forest Machine долларов каждый.

Финское подразделение компании Timberjack, именуемое Plustech Oy, уже несколько лет занимается выпуском и модернизацией идеи The Walking Forest Machine (WFM). Plustech Oy это не только обычное подразде ление, но и европейский исследовательский центр данной компании. Ос новное направление Timberjack лесозаготовка и все, что с ней связано.

WFM (рис. 10 справа) это шестиногая машина, управляемая специаль ной компьютерной системой, позволяющей автоматически адаптироваться под неровности почвы. Информация, поступающая со специальных сенсо ров, обрабатывается определенным образом, и как результат вычислений точный расчет устойчивости машины. Она позволяет производить лесоза готовку на наклонных и сильно неровных поверхностях. WFM может дви гаться вперед, назад, в стороны, по диагонали. Оператор управляет всем с помощью единственного джойстика. За дизайн и инновационные идеи WFM получил уже несколько премий. Причем, стоит отметить, что это одна из первых реализаций действительно полезных шагающих машин.

Также, к шагающим роботам можно отнести Экзоскелет (от греч.

внешний и o скелет) устройство, предназначенное для уве личения мускульной силы человека за счет внешнего каркаса. Экзоскелет повторяет биомеханику человеческого тела для пропорционального увели чения усилий при движениях. Такое устройство может быть, например, интегрировано в скафандр. По сообщениям открытой печати реально дей ствующие образцы в настоящее время созданы в Японии и США.

Роботы со сложной кинематической схемой Рис. 11. robuROC-6 и Galileo Робот-разведчик (рис. 11 слева) robuROC-6 новейшая разработ ка компании Robosoft в области многоколесных роботов для решения задач рекогносцировки и выполнения других операций на пересеченной местности. Первая модель робота была создана в рамках исследователь ской программы Minirac при финансовой поддержке французской военно промышленной компании DGA/SPART. Модель robuROC-6 мобиль ный робот, отличающийся высокой скоростью и повышенной проходимо стью. Робот оснащен шестью большими колесами с глубоким протекто ром, обеспечивающим надежное сцепление с мягким грунтом, песком или травой. Специальная гидравлическая подвеска трех платформ с колесами позволяет роботу не терять опору, даже если одно из колес наедет на вы сокое препятствие. Платформы могут поворачиваться друг относительно друга на угол до 30 градусов в обе стороны, что еще больше увеличива ет проходимость робота. Эта система дает возможность перебираться че рез препятствия и ямы, в которые колесо может провалиться, без потери устойчивости. Для повышения скорости движения по ровной поверхности предусмотрена возможность подъема средней платформы, что позволяет увеличить скорость движения робота и снизить потребление энергии. Мо дульная система robuROC-6, технология формирования команд управ ления Icorecontrol command technologyTM и открытая архитектура поз воляют установить множество модулей, оптимальных для конкретной по ставленной задачи, например: систему машинного зрения, инфракрасные и ультразвуковые датчики, лазерные системы широкого профиля, наклон ные контейнеры для крепления произвольного полезного груза, устройства беспроводной связи, манипуляторы и многое другое.

Одна из основных проблем транспортных средств необходимость дви гаться по различным типам поверхности: по асфальту, пашне, жидкой гря зи и, наконец, по камням или по лестнице. Очевидно, что по более-менее ровной дороге лучше ездить на колесах, а на труднопреодолимом грунте нужно ездить на гусеницах. Робот Galileo (рис. 11 справа) совмещает и гусеницы и колеса, благодаря чему становится универсальным транспорт ным средством, предназначенным для движения как по ровной, так и по пересеченной местности. Как правило, робот перемещается на четырех ко лесах, но при необходимости он может трансформировать эти колеса в гу сеницы. Разработчик Galileo Mobility Instruments использует данный принцип, чтобы создать инвалидное кресло, которое может подниматься по лестнице, а также для создания сельскохозяйственных машин и робо тов прочего назначения.

В настоящее время в связи с развитием потенциально опасных про изводств все большее внимание уделяется разработкам устройств, способ ных свободно перемещаться в замкнутых и тесных пространствах и прони кать в различные труднодоступные или опасные для человека места. К та ким устройствам относится и Транспортное средство для перемещения по произвольно-ориентированным в пространстве поверхностям патенты РФ №2042558, №2042559, №2057046 и др. Это шагающий аппарат, переме щающийся с помощью пневмоцилиндров с выдвигающимися штоками. На концах штоков находятся вакуумные присоски, способные двигаться пер пендикулярно поверхности перемещения. Движение робота предусматри вает выдвижение штоков, опускание присосок, их вакуумирование, подтя гивание корпуса и фиксирование его с помощью присосок. Известна также Система управления шагающего транспортного средства патент РФ №2057046, обеспечивающая управление движением робота-паука.

Исследователи из Израильского технологического университета Тех нион работают над созданием и улучшением робота-змеи. Последняя вер сия устройства, в отличие от предыдущей, представленной в 2009 году, оснащена независимыми элементами управления каждой подвижной ча стью сервоприводами, источниками питания, процессорами, инерцион ными датчиками и приборами связи. Новый робот в данный момент про ходит тестирование в лаборатории, после чего планируется его поступление на испытание в подразделение Армии обороны Израиля. Предполагается, что робот-змея может быть использован военными для наблюдения в кана лизациях, узких тоннелях или трубах, недоступных другим устройствам.

Израильский робот представляет собой чрезвычайно маневренную механи ческую змею, которая может быстро и незаметно перемещаться в замкну тых тесных пространствах, узких трубах и по пересеченной местности и пе редавать на пункт управления информацию с различных датчиков. Также робот может расставлять одноразовые датчики или заряды взрывчатки в различных частях здания (или любых других точках пространства), предо ставляя подразделению полную ситуационную осведомленность и преиму щество внезапности. В числе базовых датчиков устройства тепловизор и миниатюрные низкоуровневые камеры. Возможна также установка лазер ного радара. Благодаря подвижности змеиного тела робот обеспечивает 360-градусный обзор. Робот-змея имеет восемь участков, каждый из кото рых оснащен двигателями и инерциальной системой, согласующей положе ние данной части робота с другими. Такая система обеспечивает автома тическое передвижение по самому сложному рельефу местности, а также позволяет повысить надежность работы устройства. Прототип сделан из алюминия и весит 7 кг. Его корпус достаточно прочный для выполнения большинства боевых операций. А новые, более легкие и прочные композит ные материалы позволят усилить корпус, снизив вес устройства примерно в два раза. Благодаря малым размерам и мобильности робот-змея явля ется уникальным устройством для разведки и ведения боя, предоставляя возможности, недоступные ни одному роботу и даже человеку. По возмож ностям преодоления препятствий внутри зданий со змеей не сравнится ни один современный шагающий или гусеничный робот. При этом малый вес позволяет переносить робота-змею в рюкзаке, а малые габариты делают робота практически незаметным в поле или в лесу.

Колесно-шагающие роботы Колесно-шагающие движители в основном работают в режиме колес ного качения. Но на трудных участках, например, при подъеме в гору по сыпучему грунту, колеса простого колесного ровера зарываются в грунт, а колесно-шагающий аппарат может выдвинуть передние колеса вперед, а затем, одновременно или по очереди, подтянуть к ним остальные коле са. Проходимость машины с колесно-шагающим движителем значительно выше, чем у аппаратов с простыми колесными движителями. Известны схемы, при которых шагание колес не требует остановки аппарата.

Рис. 12. Curiosity и All-Terrain Hex-Legged Extra-Terrestrial Explorer Curiosity (русск. Любопытство) (рис. 12 слева) (Mars Science Laboratory) американский марсоход нового поколения, представляющий собой автономную химическую лабораторию в несколько раз больше и тя желее прежних марсоходов Spirit и Opportunity [50]. Планируется, что аппарат за несколько месяцев продет от 5 до 20 километров и проведет подробный анализ почвы и компонентов атмосферы Марса. Космический корабль доставки был снабжен вспомогательными ракетными двигателя ми для контролируемого снижения при посадке, что позволило снизить риск повреждения аппарата при соприкосновении с поверхностью. На по верхность Марса Curiosity приземлился 6 августа 2012 года в районе кра тера Гейл. Участок для посадки был выбран при помощи спутника Mars Reconnaissance Orbiter. MSL имеет 3 метра в длину, 2,1 метра в высоту с разложенной камерой и 2,7 метра в ширину. Диаметр колес составляет примерно 51 сантиметр. Вес марсохода чуть больше 800 кг, также он несет на борту 80 килограмм исследовательского оборудования. На поверхно сти Марса MSL будет способен преодолевать препятствия высотой до см. Ориентировочная максимальная скорость на пересеченной местности составляет 90 м/ч при автоматической навигации. Средняя же скорость, предположительно, составит 30 м/ч. Ожидается, что за время двухлетней миссии MSL пройдет не менее 19 километров. Конструкция прибора по добна тем, что использовались ранее платформа с научными приборами на шести колесах. При этом он втрое тяжелее прежних марсоходов и сто имость его составила около 1,5 миллиарда долларов. Вместо солнечных батарей в качестве источника энергии используется радиоизотопный тер моэлектрический генератор (РИТЭГ), что позволяет аппарату работать в темное время суток, а также дает стабильное энергообеспечение, не зави сящее от загрязнений и пылевых наносов, вызванных пылевыми бурями.

Выбранный РИТЭГ нового поколения способен снабжать марсоход энер гией в течение 14 лет. Запущенный космический аппарат включал в себя модуля перелетный, посадочный и непосредственно ровер-марсоход.

All-Terrain Hex-Legged Extra-Terrestrial Explorer (рис. 12 справа) ATHLETE (дословно Аппарат для исследования внеземных поверх ностей любого типа, снабженный шестью конечностями ) автоматиче ский шестиногий транспортный вездеход, разрабатываемый совместно Jet Propulsion Laboratory(JPL) и Калифорнийским технологическим институ том и NASA. Ровер предназначен для высадки на Луну (в возможной пер спективе также на Марс) и транспортировки грузов, жилых и лаборатор ных модулей по поверхности. Разработка ведется в рамках комплексной программы NASA Созвездие. Прототип, созданный в 2009 г. состоит из трех прикрепленных к грузовой платформе независимых частей. Каждая часть в свою очередь состоит из двух конечностей, несущих по одному ко лесу. Все три части могут работать независимо, а при подсоединении к грузовой платформе функционируют как единое целое. При движении по сложным поверхностям колеса могут быть заблокированы и конечности бу дут использоваться как шагающие движители. Высота стоящего ровера составляет 4 м, грузоподъемность 450 кг в условиях земной гравита ции. Максимальная скорость передвижения ATHLETE составляет прибли зительно 2 км/ч [25].

Рис. 13. Multifunction Utility/Logistics and Equipment и WorkPartner Компания Lockheed Martin, известная своими самолетами невидим ками (F-117 Steath ), провела испытания прототипа новой транспорт ной системы (рис. 13 слева) Multifunction Utility/Logistics and Equipment (M.U.L.E.). Во время тестирования на препятствиях с заранее запрограм мированным описанием колесный робот взобрался на 76-сантиметровую ступень и прополз над провалом шириной 1,78 метра, используя только собственный искусственный интеллект, без вмешательства оператора. Ап парат может двигаться с креном в 40%, взбираться на ступеньку высотой до 1 м и преодолевать ров шириной более 1 м, а также преодолевать водную преграду глубиной более полуметра. Мул представляет собой мультифунк циональное модульное транспортное средство, способное перемещаться по пересеченной местности под управлением собственного искусственного ин теллекта. Также устройство может управляться оператором удаленно. Ро бот может быть транспортирован в точку применения на борту самолета C-130 или вертолета CH-47, либо на внешней подвеске вертолета UH-60.

Мул оснащен шестью ведущими колесами с системой централизованной подкачки давления в шинах и независимой активной подвеской с интеллек туальным управлением, благодаря которой он может произвольно управ лять перемещением каждого колеса вверх-вниз, поднимая либо одно (или оба) из передних колес, либо колеса в центре, либо приподнимая над доро гой сам кузов (полностью или его передний или задний конец отдельно).

Система принятия решений о способе преодоления того или иного пре пятствия, которую инженеры активно тестировали в последнее время, не только выбирает тактику преодоления бездорожья, но и использует управ ляемую подвеску для компенсации смещения центра тяжести при транс портировки груза. Планируется серийное производство сразу трех моди фикаций Мула: в качестве автоматического средства доставки грузов и оборудования, автоматического миноискателя и беспилотной машины под держки пехоты (возможное вооружение пулемет M240 или противотанко вая ракетная установка Javelin). Интересно, что в грузовом варианте на машине предусмотрено множество разнообразных мест крепления вещей, складные и съемные модульные рейлинги, способные удерживать не толь ко ящики с боеприпасами или другими необходимыми материалами, но и носилки с раненым. Один Мул в таком исполнении может перевозить все необходимое для взвода морской пехоты по по поверхности с практически любой сложностью рельефа [40].

WorkPartner (рис. 13 справа) мобильный робот, предназначенный для решения повседневных задач во внешней среде, который способен к интер активному взаимодействию с человеком [38]. Робот оснащен двумя мани пуляторами и гибридной колесно-шагающей системой передвижения. Ме ханическая часть робота была разработана и изготовлена Rover Company Ltd, Санкт-Петербург, Россия. Это высокоадаптивный модульный колесно шагающий аппарат, который может управляться как удаленным операто ром, так и при помощи интерактивного взаимодействия.

Компанией Zanthic Technologies Inc. также был разработан колесно шагающий робот. Высокая проходимость аппарата достигается благодаря относительно небольшой высоте и способности поднимать колесо выше его вертикальных размеров, а также благодаря независимым приводам колес.

Сотрудники компании утверждают, что этот робот может балансировать на трех колесах с одним поднятым, что позволяет называть эту машину именно шагающей. Ломанный корпус придает аппарату большую свободу при прохождении крутых поворотов. Все вышеперечисленное делает дан ное устройство идеально подходящим для выполнения задач в замкнутых, ограниченных по высоте пространствах, а также на сложной пересеченной местности.

Рис. 14. Hylos и Roller-Walker Hylos (разработчики Laboratoire de Robotique de Paris – University de Paris 6). Hylos (рис. 14 слева) значительно меньше по размеру, чем WorkPartner, и не предназначен для промышленной эксплуатации. Этот небольшой мобильный аппарат используется для проведения эксперимен тов по методам управления и отработки автономного передвижения по пе ресеченной местности. В работах [18], [26] подробно описаны алгоритмы управления таким роботом. На рис. 15 приведена иллюстрация процесса моделирования движения Hylos по пересеченной местности [26].

Roller-Walker (рис. 14 справа) колесно-шагающий мобильный ро бот, оснащенный четырьмя ногами, который может и только ездить или только ходить, убрав колеса. Каждая конечность робота заканчивается свободновращающимся колесом, которое можно повернуть на 90 градусов.

Аппарат шагает для перемещения по неровной поверхности, а по гладкой поверхности Roller-Walker едет на колесах, совершая волнообразные дви жения ногами и используя значительно меньше энергии при качении по сравнению с обычными шагающими роботами. Устройство было разрабо тано Японской компанией Hirose-Fukushima Robotics Lab [30], [24], [23], [22].

Octopus (рис. 15 слева) ( Осьминог ) (рис. 16) – восьмиколесный робот весьма оригинальной конструкции, созданный Швейцарским федеральным институтом технологий в Лозанне (EPFL). Одной из основных особенно стей аппарата является распознавание препятствий не с помощью зри Рис. 15. Octopus и Kaiser S тельной, а с помощью тактильной чувствительности. Внутри каждого колеса спрятаны 16 инфракрасных датчиков, которые измеряют деформа цию шины, вызванную контактом с грунтом, камнями и прочими предмета ми, таким образом, каждое из восьми колес выступает в роли тактильного сенсора. Датчики установлены фактически на ступице колеса, вследствие чего они остаются неподвижными, пока шина вращается вокруг них. Шина же опирается своими краями на два отдельных кольца, вращающихся на подшипниках с уплотнением. Таким образом, робот может в любой момент определять положение препятствий в пространстве, как бы ощупывая их.

Колеса закреплены на системе рычагов, также снабженных двигателями, что позволяет роботу не только катиться, но и шагать. Эта особенность имеет большое значение при подъеме и преодолении высоких препятствий.

Хотя машина внешне крайне мало напоминает осьминога, именем которо го названа, ее способ передвижения сходен с действиями этого моллюска.

Так, робот ощупывает камни подобно тому, как это делает осьминог. Так же, подобно тому как осьминог, желая забраться повыше, забрасывает на препятствие передние щупальца, потом подтягивает тело, затем подбира ет задние ноги, Octopus, почувствовав препятствие передним колесом, поднимает его вверх, одновременно сдвигаясь вперед, пока второе колесо не коснется ступеньки. Затем робот продолжает подъем, действуя систе мой рычагов на передних конечностях так, чтобы переднее колесо, следуя за профилем ландшафта, снова достигло ровного горизонтального участ ка. Тогда начинает подтягиваться остальная конструкция. В этот момент весь вес робота распределен лишь между внешними колесами. Примеча тельно, что в программу управления Октопуса заложена способность оце нивать серьезность препятствия и выбирать штурм или поиск обхода в зависимости от результатов анализа. При этом, как подчеркивают раз работчики, единственное уравнение, которое должно быть удовлетворено, чтобы достигнуть равновесия машины уравнение вращающих момен тов относительно различных ее осей [37]. Существует целый ряд немец ких и швейцарских колесно-шагающих экскаваторов, таких как: Kaiser S (рис. 15 справа), Menzi A111, управляемых оператором.

Рис. 16. Halluc II и SandBot Гигантский робот-таракан (Giant Cockroach Robot) Halluc II (рис. слева) на самом деле небольшой мобильный аппарат весом 20 кг и около 80 см в длину. Конструкция робота позволяет ему перемещаться и на колесах, и на лапах, а также совмещать эти способы передвижения.

Программное обеспечение устройства разработано в ОС Linux.

Существуют и другие варианты колесного шагания. Например, робот SandBot (рис. 16 справа) имеет вращающиеся ноги, позволяющие ему передвигаться с высокой скоростью по песку. На Луне и на Марсе большие области поверхности засыпаны толстым слоем пыли или песка, вследствие чего передвижение и, соответственно, исследование в этих областях посред ством современных луно- и марсоходов весьма затруднено. Конструкция нового SandBot может стать эффективным техническим решением для выполнения подобных задач. Для создания робота, способного двигаться достаточно быстро по сыпучим средам, группа ученых во главе с Дани элем Голдманом (Daniel Goldman) постарались сымитировать способ пе редвижения естественных обитателей пустынь от тараканов до ящериц.

Перемещение их конечностей оказывается очень неравномерным: пока лап ка касается песка, она перемещается чрезвычайно медленно и осторожно, а как только лапка поднимается в воздух она становится почти мол ниеносной. Этот подход реализован и в шестиколесном роботе SandBot:

вращаясь вокруг оси, его колеса, имеющие форму неполных спиралей (или сильно изогнутых ног) касаются песка с осторожностью, при этом в каждый момент времени на песок давят не менее 3 колес, а остальные быстро совершают оборот в воздухе для подготовки к следующему шагу.

На данный момент, после более чем года усовершенствований, робот спо собен развивать по глубокому песку скорость до 0,3 м/с то есть в 15 раз быстрее современных марсоходов [39].

Рис. 17. LegVan и Solero LegVan (рис. 17 слева) является полноценным колесно-шагающим мо бильным роботом, оснащенным системой управления, датчиками и специ альной системой подвески. Данный аппарат имеет определенный уровень автономности. Это означает, что он может выполнять свои функции, осно вываясь только на информации, поступающей с датчиков. При этом про грамма выбирает один из возможных алгоритмов действий в зависимо сти от вновь полученной информации, способной повлиять на эффектив ность его работы [27]. Проект LegVan был разработан компанией Wroclaw University of Technology, Польша. Основной задачей робота является пере мещение в пространстве путем шагания при поддержании горизонтально го уровня установленной на нем платформы. Стратегия робота основана на поведенческой концепции водителя. Если во время работы происходит событие, то это событие интерпретируется ПО и осуществляется соответ ствующий ответ.

Solar-Powered Exploration Rover Solero (рис. 17 справа) аппа рат повышенной проходимости, разработанный как прототип марсианских роверов-разведчиков для демонстрации возможностей передвижения, гру зоподъемности, существования, питания и управления подобными устрой ствами. Важной отличительной особенностью Solero является его спо собность работать почти исключительно от энергии солнечных батарей, с использованием аккумулятора только как экстремального резерва или в момент пиковой мощности. На Земле достаточно солнечной энергии для функционирования транспортных средств, работающих в таком режиме.

Однако, так как Марс находится дальше от Солнца, чем Земля, мощности, получаемые при использовании энергии солнечного света, снижаются, что значительно усложняет задачу разработчиков, т.к. при таких условиях го раздо сложнее добиться того, чтобы конструкция работала и система оста валась надежной [36]. Данная модель разработана при поддержке Швей царского федерального института технологии в Лозанне (EPFL) (CH) по контракту ESA.

Модели данной роботы Предметы исследования данной работы мягкая двухрычажная неза висимая пружинная пассивная подвеска, пневматическая активная подвес ка и меканум-колесо.

Меканум-колесо (mecanum wheel) колесо специальной конструкции (см. рис. 18 и [32], [41], [47]), которое может перемещаться в любом направ лении по поверхности (плоскости). В зарубежной литературе его иногда называют шведским колесом или колесом Айлона в честь шведского изоб ретателя Бенгта Эрланда Айлона, которому принадлежат идея и патент США на эту конструкцию. Он придумал идею [32] в 1973 г., когда был инженером в шведской компании Mecanum AB. Меканум-колеса являются одной из возможных моделей омни-колес (всенаправленного движения), но имеют ряд отличий, главным из которых является использование специаль ных роликов, установленных на ободе под углом (обычно 45 град.) к оси и плоскости колеса. В результате меканум-колесо демонстрирует ряд специ фических свойств сложной механической природы, среди которых весьма интересное движение под углом к плоскости колеса.

Рис. 18. Модели меканум-колес, принцип конструкции Типичная конфигурация аппарата на меканум-колесах четырехко лесный аппарат, хотя есть и другие решения. Использование меканум-колес приводит к тому, что каждое колесо развивает тянущую силу, направлен ную приблизительно вдоль оси ролика, находящегося в контакте с опорой, при этом изменяя скорость и направление вращения каждого колеса мож но обеспечить движение корпуса аппарата обычным для четырехколесных шасси образом, реализовать поступательное движение корпуса или произ вольное его вращение и повороты. Можно создать, например, поперечное движение аппарата, комбинации движений колес позволяют строить дви жение в любом направлении с любым вращением. Разработано уже значи тельное число меканум-роботов и аппаратов [14], [20], [29], [34], [41], [47], [49]. Укажем лишь несколько коммерческих разработок.

На рис. 19 слева показан аппарат Omni-Directional Vehicle (ODV) для транспортировки грузов [29], разработанный лабораторией ВМС США в Панама-Сити по патенту Айлона (ВМС США купили этот патент в 1980 х, аппарат построен к 1997 г., в настоящее время находится в производстве).

Аппарат используется для транспортировок в узких пространствах, напри мер, на служебных палубах кораблей. Подобные погрузчики используются также при загрузке самолетов. На рис. 19 справа показана современная вер сия подобного аппарата транспортное шасси фирмы КУКА (Германия), Рис. 19. Аппарат ВМС США (слева) и транспортное шасси фирмы КУКА (справа) 2011 г. [34]. На рис. 20 слева вилочный погрузчик на меканум-колесах, разработка фирмы Airtrax, ныне производится компанией Vetex (США), аппарат поставляется по Северной Америке, в Израиль и Индию [49]. Спра ва на рис. 20 футуристический дизайн машины будущего, автор кон цепции дизайнер из Германии Себастьян Тодденрот, концепция получила название Volkswagen Rescue Rover, аппарат имеет функции всенаправлен ного движения, при этом способен плыть, предназначен в качестве спаса тельного средства [14].

Рис. 20. Погрузчик фирмы Airtrax (слева), концепт С. Тодденрота (справа) При анализе динамики аппаратов на меканум-колесах возникает зада ча исследования и точного учета движущих аппарат сил, обеспечиваемых меканум-колесами. Для ее решения в ходе данной работы была создана модель в программном комплексе Универсальный механизм. Конкретной целью разработки модели было исследование силового контактного взаимо действия колеса и роликов с опорой при разных геометрических условиях контакта и моделях трения. Получены первые результаты, объясняющие некоторые эффекты в рассмотренной модели.

2 Методика исследования комфортабельно сти движения шестиколесного робота с пас сивной независимой подвеской Предмет исследования данной главы мягкая двухрычажная незави симая пружинная пассивная подвеска. Такую подвеску начали применять в 30-х годах прошлого века и она постоянно совершенствуется. Ее исполь зуют для задних колес как гоночных, так и обычных автомобилей, так как с ней кузов менее подвержен воздействию неровностей дороги, возможна регулировка углов развала и схождения, обеспечиваются минимальные пе ремещения колес (поперечные;

угловые при ходе вверх и вниз). Благодаря независимому восприятию неровностей, подвеска позволяет экипажу оста ваться в устойчивом состоянии, что улучшает сцепление с дорогой. Целью настоящей работы является построение модели, имеющей характеристики, приближенные к реальным. И далее, 1. Нахождение зависимости следующих характеристик комфортабель ности движения от параметров подвески:

N (Xi X) (a) RM S (считается по формуле: =,где N число i= N точек на графике, X среднее) среднеквадратичное отклонение вертикального ускорения некоторой точки корпуса общепри нятая (ISO 2631) характеристика качества подвески.

(b) I1 (площадь под графиком вертикального ускорения некоторой точки корпуса за модельное время) характеристика комфор табельности для человека. ГОСТ 31319-2006 Вибрация. Изме рение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека (c) I2 (площадь под графиком вертикального ускорения некоторой точки корпуса за модельное время, превышающего заданное) предлагаемая характеристика износа.

(d) Mabs (максимальное вертикальное ускорение за время движе ния предлагаемая характеристика возможности поломок.

2. Разработка модели блока управления, допускающей движение без по перечного крипа (бокового проскальзывания).

3. Нахождение зависимости от геометрических и массово-инерционных параметров некоторых характеристик комфортабельности движения.

4. Формулировка рекомендаций по выбору геометрических и массово инерционных характеристик аппарата и параметров подвески.

Отметим, что настоящая работа продолжает исследования адаптивных многоколесных роботов, начатые в [7].

2.1 Модель шестиколесного робота Построена модель шестиколесного робота, включающая следующие субмодели: модель подвески колес, модель блока управления, модель кон такта колеса с дорогой, модель неровностей дороги. Моделируется движе ние робота с разными скоростями. Результаты представлены в виде ра бочей модели робота и двумерных диаграмм, отражающих зависимость вертикальных ускорений конкретных точек корпуса от динамических ха рактеристик аппарата. Приведенные зависимости позволяют определить характеристики подвески, минимизирующие функционалы в зависимости от вертикального ускорения точек корпуса. Опишем введенные субмодели.

2.2 Модель подвески Смоделирована подвеска, обеспечивающая параллельное расположение ступицы колеса к борту корпуса (такая подвеска используется в автомоби лях типа багги ). Вид этой модели показан на рис. 21.

Рис. 21. Модель шестиколесного робота, построенная в программном ком плексе Универсальный Механизм [10] Параллельность ступицы каждого колеса и борта корпуса обеспечивают четыре цилиндрических шарнира, расположенных в углах параллелограм ма подвески колеса.

A B D C Рис. 22. Вид аппарата спереди На рис. 22 изображена эта же модель без перспективы, вид спереди.

Оказалось, однако, что эта конструкция неудобна для моделирования, так как разрезанные шарниры (A-B-C-D-A) отрицательно влияют на скорость A B Рис. 23. Сопряжение и точность вычислений. Так, например, при интегрировании методом Пар ка (PARK, Неявный метод второго порядка с переменным/постоянным ша гом) погрешность достигала 10% от характерного размера подвески. Поэто му далее, чтобы избавиться от разрезанных шарниров для использования метода АБМ (Адамса-Бэшфорта-Моултона, явный метод в форме PECE прогноз-оценивание-коррекция-оценивание) принимается следующее допу щение: вместо цепи из четырех шарниров вводится эквивалентная систе ма один шарнир и сопряжение термин программного комплекса Универсальный Механизм, описанный ниже. Шарнир между корпусом и ступицей колеса для передних и задних колес реализует 3 степени свободы:

поступательные вдоль векторов y и z и вращательную вокруг векто ра z. Для средних 2 степени свободы: поступательные - вдоль векторов y и z. Сопряжения являются связями, то есть ограничениями на относи тельное положение и движение пары тел. В данном случае сохраняется расстояние между точками (0, 0, 0) корпуса и (0, 0, 0) ступицы колеса, что обеспечивает ту же кинематическую схему, то есть ступица колеса относи тельно корпуса движется плоскопараллельно в плоскости Oyz. Локальные системы координат здесь и далее изображены тремя перпендикулярными отрезками: вертикальный вдоль оси z, вдоль направления движения ось x, дополняющий до правого трехгранника ось y.

Также между точками A(0, 0, 1) корпуса и B(0, 0, 0) ступицы колеса (рис. 23) назначена биполярная линейная сила: F = c(xx0 )dv, где c коэффициент жесткости пружины, x0 длина пружины в нерастянутом состоянии, d коэффициент диссипации демпфера.

Геометрические характеристики подвески выбираются из следующих соображений:

1. Расстояние от колеса до корпуса максимизируется, так как это ми нимизирует (что видно из геометрических соображений) поперечный крип при работе подвески, который, в свою очередь, отрицательно влияет на износ покрышки и управляемость аппарата.

2. Расстояние между А-образными вилками (рис. 22, 23 А-В) также мак симизируется, так как оно влияет на прочность конструкции.

2.3 Метод управления Здесь и далее названия функций и переменных взяты из УМ. По этому для ряда имен выражений сохранены длинные названия. Момент, контролирующий поворот управляемых колес, вводится как шарнирный момент типа Выражение, направленный вдоль оси z на передние ступи цы и вдоль z на задние, с общим видом M = c(x ± s) d(v ± w) Здесь соответствует передним, а + задним колесам, c = cSteering и d = dSteering коэффициенты жесткости и демпфирования систе мы управления соответственно, имеют физический смысл жесткости и демпфирования удержания рулевого колеса блоком управления ;

s = SteeringW heelAngle и w = dSteeringW heelAngle требуемые углы пово рота и угловая скорость в управляемом шарнире соответственно, которые рассчитываются в процессе моделирования для выполнения заданных ма невров. Для средних колес во вращательный шарнир, связывающий сту пицу колеса с кузовом, вдоль оси Oy момент для управления скоростью продольного движения и момент для блокировки колес вводятся одновре менно M = m x v, где и параметры жесткости и демпфирования при блокировании колес. Управляющий скоростью движения момент вычисляется следую щим образом: m = M longitudinalControl = ce (v0 v), где v0 началь ная/требуемая скорость, ce коэффициент усиления.

Для того чтобы мгновенные центры скоростей колес находились в одной точке (что уменьшит проскальзывание и одновременно приведет к увели чению скорости интегрирования), управляемые колеса должны поворачи ваться на разные углы. Эти углы рассчитываются из соображения, что при повороте углы внешних колес лежат в интервале (0,30) градусов и равны между собой, а внутренние поворачиваются на угол, обеспечивающий сов падение мгновенных центров скоростей.

a b a b b a a b Рис. 24. Управляемые углы Из рис. 24 видно, что при моделировании следует минимизировать от ношение a/b отношение расстояния между управляемыми колесами к расстоянию между передними и средними. Далее, для a = b, выписано выражение угла через угол :

tg tg = 1 tg Пусть 1, x 00, x 0, h (x) = heavi (x) = cSteering = c, SteeringW heelAngle = s, dSteering = d, dSteeringW heelAngle = w. Тогда управляющий момент для пра вого колеса tgs M = c x ± h (s) s + h (s) arctg 1 + tgs 2w d v ± h (s) w + h (s).

3 + 2 sin (2s) + cos (2s) Аналогично вычисляется момент для левого колеса. Для правого и ле вого поворотов выражение для управляемых углов записано одновременно при помощи функции heavi(x), в знаке ± берется для передних, а + для задних колес. На самом деле, управляемый Универсальным механизмом угол = SteeringW heelAngle = s;

угол воображае мого колеса, расположенного посередине между передними колесами, а именно 2 sin s 2 sin s = h(s)arctg( ) + h(s)arctg( ), cos s(2 + cos s ) sin cos s 2 cos s sin s s но в данной работе для уменьшения времени интегрирования это раз личие считается малым. Чтобы показать зависимости угла и угловой ско рости колеса от времени проведен эксперимент поворот рулевого коле са на месте с амплитудой 0,52 радиан, и частотой 0,25 герц. На рис. изображены углы, на рис. 26 угловые скорости левого и правого колес (проекции на вертикальную ось колеса относительно корпуса в системе ко ординат корпуса).

В качестве блока управления используются две модели.

Рис. 25. Углы правого и левого колеса в зависимости от времени Рис. 26. Угловые скорости правого и левого колеса в зависимости от вре мени 1. Управление без обратной связи. Профиль продольной скорости и ру левого управления задается в файле УМ.

2. Модель МакАдама, описанная ниже.

Модель МакАдама является одной из наиболее эффективных и рас пространенных компьютерных моделей блока управления [15]. В основе модели лежат упрощенные линейные уравнения движения автомобиля с двумя степенями свободы. Угол поворота рулевого колеса выбирается из условий минимизации отклонения прогнозируемой траектории экипажа от заданной желаемой траектории. Эта модель значительно быстрее интегри руется, в отличие от модели с прогнозированием второго порядка, и дает возможность исследовать влияние подвески на управляемость аппарата.

Управление u (желаемое значение угла поворота колеса) является кусочно-постоянной функцией. Рассматривается экипаж в момент време ни tk, для которого рассчитывается очередное значение управления. Не нарушая общности полученных ниже решений, положим tk = 0. Вводит ся инерциальная система координат (СК) O X Y, связанная с текущим положением экипажа. Начало отсчета этой СК совпадает с текущим по ложением середины передней оси автомобиля, ось абсцисс с продольной осью экипажа.

Yv u a b y y Ov Xv Рис. 27. Упрощенная модель автомобиля Yv Xv Ж ла мая о нози мая а к о ия Dy а к о ия Ov Рис. 28. Прогнозируемая и желаемая траектория При заданном значении угла поворота u (рис. 27) управляемого колеса упрощенная модель автомобиля имеет две степени свободы: поперечное от клонение центра масс y и угол поворота вокруг вертикальной оси. Данная модель подробно рассмотрена в работе И.В. Новожилова, И.С. Павлова [4] Согласно материалам Д.Ю. Погорелова, приведенным в [10], линейные уравнения движения в этих переменных имеют вид y = vx + vy, = z, Cr b Cf a Cf + Cr M vy = M vx z + Cf u, y+ vx vx Cf a2 + Cr b Cr b Cf a y Iz z = z + Cf au.

vx vx Здесь vx, vy проекции скорости центра масс на продольную и попереч ную оси экипажа;

z угловая скорость относительно вертикальной оси;

a, b расстояния от центра масс до передней и задней осей соответствен но;

M, Iz масса и момент инерции экипажа относительно вертикальной оси;

Cf, Cr приведенные (суммарные) коэффициенты сопротивления бо ковому уводу передних и задних колес. Наблюдаемой величиной является поперечная координата центра передней оси, определяемая выражением y = y + a.

Эти уравнения являются линейными с постоянными коэффициентами и могут быть записаны в матричной форме.

x = Ax + Bu, y = C T x, 0 vx 1 0 y 00 0 1 A=,x =, Cf +Cr Cr bCf a vx 00 vy M vx M vx C a2 +C b Cr bCf a f Iz vx r z 00 Iz vx 0 0 a B = Cf, C = M Cf a M Общее решение системы уравнений c учетом предположения u = const имеет вид t x (t) = eAt x0 + u eA Bd, y = F (t) x0 + g(t)u Здесь x0 матрица-столбец начальных условий, а также введены мат рица – строка F (t) размером 1 4 и скалярная функция g(t) t F (t) = CeAt, g (t) = F ( )Bd Фундаментальная матрица системы уравнений eAt может быть получе на численным решением дифференциальных уравнений с единичной мат рицей в качестве начальных условий, т.е. i-й столбец этой матрицы есть решение системы дифференциальных уравнений с начальными условиями xi = 1, xj = 0, i = j. Более экономичный метод расчета фундаменталь ной матрицы, с точки зрения числа арифметических операций, основан на определении собственных векторов и собственных значений матрицы A.

Пусть yd (t) уравнение желаемой траектории. Определим управле ние u, минимизирующее отклонение прогнозируемой траектории y (t) = yd (t) y (t) от желаемой на интервале времени прогноза Tp. В качестве функционала, характеризующего отклонение, рассматривается выражение T T J (u) = (y( ))2 d = (yd ( ) F ( ) x0 g( )uu)2 d 0 Искомое управление получается из уравнения Tp dJ 2 (yd ( ) F ( ) x0 g ( ) u) g ( ) d = = du Tp Tp 2 (yd ( ) F ( ) x0 ) g ( ) d 2u g 2 ( ) d = 0 или T 0 p (yd ( ) F ( ) x0 ) g ( ) d u= T 0 p (g 2 ( )) d Полученное решение можно упростить, заменяя интегралы конечными суммами. Для этого интервал прогноза Tp разделяется на N подынтервалов равной длины. На каждом из них:

n i=1 (yd (ti ) F (ti ) x0 )g(ti ) iTp u=, ti =.

n i=1 g (ti ) N 2.4 Модель контакта колеса с дорогой Модели контактных сил позволяют по параметрам колеса (вертикаль ная жесткость, демпфирование и др.) и по известным кинематическим па раметрам шины (продольный и поперечный крип, угол развала и др.) в каждый момент времени, рассчитанным внутри программы моделирова ния, получить значения сил и моментов, действующих в контакте меж ду колесом и дорогой. Известно достаточно большое количество моде лей контактных сил. В настоящей работе используется модель Магиче ская Формула Пасейки (Pacejka Magic Formula) [43]. Общий вид кри вых для Магической Формулы (Magic Formula, MF) приведен на рис. 29.

Y (x) = D sin(Carctg(Bx E(Bx arctg(Bx)))) + Sv,x = X + Sh, где Y (x) может быть продольной (Fx ) или поперечной (Fy ) силой или восстанав ливающим моментом (Mz ), а X - продольный (для Fx ) или поперечный (Fy, Mz ) крип. В соответствии с [12], [13], коэффициенты Магической фор мулы есть функции вертикальной нагрузки на колесо Fz и угла развала.

y Y ya Sv arctg(BCD) D x Рис. 29. Магическая формула Пасейки Продольная сила Fx C = b0, D = Fz (b1 Fz + b2 ), B = CD b3 Fz 2 + b4 Fz eb5 Fz, E = b6 Fz 2 + b7 Fz + b8, Sh = b9 Fz + b10, Sv = b11 Fz + b12.

Поперечная сила Fy Fz (1 a5 ||), C = a0, D = Fz (a1 Fz + a2 ), B = CD a3 sin a15 arctg a E = a6 Fz + a7, Sh = a8 + a9 Fz + a10, Sv = (a11 Fz + a12 )Fz + a13 Fz + a Направляющий момент Mz C = c0, D = Fz (c1 Fz + c2 ), B = CD c3 Fz 2 + c4 Fz (1 c6 ||)ec5 Fz, E = (c7 Fz 2 + c8 Fz + c9 )(1 c10 ||), Sh = c11 + c12 Fz + c13, Sv = (c14 Fz 2 + c15 Fz ) + c16 Fz + c Использование этих формул требует определения коэффициентов a0... a15,, b0... b10, c0... c17, на основе экспериментальных данных. Значе ния, принятые в УМ, взяты в соответствии с [17]: b0 = 1.65, b1 = 2.13, b2 = 1144, b3 = 49.6, b4 = 226, b5 = 0..69, b6 = 0.006, b7 = 0.056, b8 = 0.486, b9 = 0, b10 = 0, c0 = 2.4, c1 = 2.72, c2 = 2.28, c3 = 1.86, c4 = 2.73, c5 = 0.11, c6 = 0.03, c7 = 0.07, c8 = 0.643, c9 = 4.04, c10 = 0.03, c11 = 0.015, c12 = 0, c13 = 0, c14 = 0.066, c15 = 0.945, c16 = 0, c17 = 2.5 Модель неровностей дороги В качестве неровностей взята базовая поверхность пакета УМ Бу лыжник в удовлетворительном состоянии, растянутая по вертикали, что бы максимальные кочки достигали четверти радиуса колеса.

100мм 480м Рис. 30. График неровностей На графике (рис. 30) по оси абсцисс отложено расстояние вдоль дороги в метрах, по оси ординат высота кочки в миллиметрах.

2.6 Построение списка экспериментов Параграфы 1-5 посвящены построению модели, далее же описана тех нология зондирования многомерного пространства параметров аппарата.

Проведены следующие серии экспериментов. В данной работе выбрана рав номерная сетка. Эксперименты проводились при помощи УМ сервер – кластера и соответствующих клиентов, установленных на 5 ЭВМ. За час на четырех компьютерах проведено 154 вычислительных эксперимента, с модельным временем по 12 секунд каждый.

Построены две серии экспериментов:

1. Коэффициент жесткости пружины 104 кг/с2. Коэффициент дис сипации 120 кг/с. Масса экипажа 57–95 кг Скорость 3–12 м/с 2. Скорость 8,3 м/с. Масса экипажа 76 кг. Коэффициент жест кости пружины 103 –1,5·104 кг/с2. Коэффициент диссипации 0– 120 кг/с.

Вид модели аппарата с учетом описанных выше допущений показан на рис. 31.

Рис. 31. Вид модели аппарата Отношение расстояния между передними колесами к расстоянию меж ду передней и средней осями равно единице. Так как в модели аппарата от сутствует стабилизатор поперечной устойчивости, являющийся существен ной частью подвески автомобиля, расстояние между средними колесами увеличено, чтобы компенсировать его отсутствие.

Исследуются описанные выше функционалы от модуля вертикального ускорения точки (0, 0, 0) корпуса робота:

1. RM S общепринятая (ISO 2631) характеристика качества подвески, с увеличением которой резко растет беспорядочность сил, что приво дит к большим погрешностям системы управления и т.п.

2. I1 характеристика комфортабильности для человека. Минималь ное значение ускорений, на которое реагирует вестибулярный аппа рат, или порог раздражения, различно для разных людей и меняется в зависимости от продолжительности действия ускорения. Средние значения порога раздражения следующие: 0,11–0,12 м/с2 для линей ных колебаний и 20 1/с2 для угловых при продолжительности дей 800 1/с2.

ствия 0, 8с, а при продолжительности действия 0,22 с При этом произведение ускорения на латентный период реакции ве стибулярного аппарата постоянно. В РФ принят ГОСТ 31319- Вибрация. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека 3. I2 предлагаемая характеристика износа.

4. Mabs предлагаемая характеристика возможности выхода из строя автоматики и соединительных узлов, например, механические полом ки при перегрузках.

2.7 Структуризация и анализ результатов Построена отдельная упрощенная модель (корпус с одним колесом свя зан пружиной с гасителем), зависимость модуля вертикального ускорения точки (0,0,0) корпуса от скорости движения приведена на рис. 32. По оси абсцисс отложена скорость, по оси ординат модуль вертикального уско рения. Зависимость максимума модуля (огибающая) вертикального уско рения от скорости почти квадратичная.

Для всего экипажа зависимость от скорости и массы среднеквадратич ного отклонения (далее RM S ) модуля вертикального ускорения приведена на рис. 33. Значения справа (масса одного колеса) соответствуют равно мерному изменению массы экипажа от 57 кг до 95 кг. Зависимость RM S Рис. 32. Зависимость модуля вертикального ускорения от скорости (для одного колеса) от массы несущественна. При скоростях более 13 м/с происходит перево рот аппарата, чем и объясняются случайные малые значения функционала RM S (|a|). Срезы по массе могут быть приближены квадратичной функ цией от скорости, погрешность приближения объясняется поперечной и продольной качкой экипажа, поэтому дерево экспериментов строится при постоянной скорости, обеспеченной блоком управления (см. п. 2.3), и по стоянной массе. Рядом с диаграммами приведенными на рис. 33, 34, 35, 36, 37 указаны значения функционалов, слева приведены их названия.

В качестве характеристики подвески исследуется функционал RM S (считается по формуле:

N X) i=1 (Xi =, N где N число точек на графике, X среднее) среднеквадратичное отклонение ускорения некоторой точки корпуса. Этот функционал соот ветствует комфортабельности движения.



Pages:   || 2 |
 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.