CC BY
152
УДК 629.3
Е.В. Филиппова, асп., (4872) 35-02-19, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА С УЧЕТОМ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ
Рассматриваются вопросы программного моделирования движения робота с учетом рельефа местности.
Ключевые слова: робот, рельеф местности, движение робота, компьютерное моделирование.
Подвижные безрельсовые роботы известны и используются достаточно давно в различных областях человеческой деятельности. Приспособленные к самостоятельному перемещению в рабочем пространстве, предназначаются для автоматической транспортировки разнообразных предметов, экологического мониторинга, предотвращения чрезвычайных ситуаций, разведки, сбора информации об объектах различного назначения.
Автономный подвижный робот является сложной управляемой электромеханической системой, состоящей из ходовой части и многоуровневой системы управления движением. В нем одновременно протекают механические процессы - движение робота - и информационные процессы - обработка сигналов измерительных устройств и формирование управляющих сигналов. Моделью механической части робота является система абсолютно твердых тел, соединенных цилиндрическими шарнирами.
Ходовая часть робота может быть колесной, гусеничной или сменной (быстро заменяемой с колесной на гусеничную и обратно) (рис. 1).
Выбор типа ходовой части определяется характером местности, на которой преимущественно будет использоваться робот. Классификация может быть произведена по значению измеренной корреляционной функции в разных точках. Первый параметр корреляционной функции, который может быть положен в основу классификации - значение функции - K'[m при m = 0. В этой точке K'[m дает дисперсию микронеровностей дороги. Однако, дисперсия имеет размерность квадрата расстояния, поэтому дороги принято различать по среднеквадратичному отклонению, т.е. по значе-
Согласно существующим источникам дороги различаются следующим образом:
дороги первого класса, у которых ^/^1^ < 0,1 м;
101
дороги второго класса, у которых 0,1 < ^/^1^ < 0,2 м; дороги третьего класса, у которых ^/^1^ > 0,2 м.
В существующих источниках отмечается, что дороги, у которых .yJк^0 > 0,2 м, встречаются редко, в городских условиях большинство дорог можно отнести к первому классу, а в полевых условиях - ко второму.
Рис. 1. Окно - рельеф местности
Мобильный робот, предназначенный для работы на труднопроходимой местности, имеет гусеничную ходовую часть. При преимущественном использовании робота на ровной поверхности (улицы, дороги) более предпочтительным является колесный вариант транспортного средства.
Основные свойства колесного транспортного средства мобильного робота (проходимость, экономичность, плавность хода и устойчивость движения) в первую очередь зависят от общего числа колес и числа приводных колес.
Наиболее распространенной конструктивной схемой мобильных
колесных роботов является четырехколесная. Такие транспортные системы обладают высокими эксплуатационными качествами на ровных твердых поверхностях (например, в городских условиях). Увеличение проходимости робота достигается при помощи систем с индивидуальным приводом на каждое колесо.
Наряду с достоинствами такие колесные транспортные системы имеют существенные недостатки: преодоление незначительных по высоте препятствий, отсутствие возможности передвижения по лестнице и ограниченность движения по уклонам, значительные колебания передающих телекамер при движении. Эти недостатки существенно сужают диапазон применения четырехколесных мобильных роботов.
Увеличение числа колес приводит к усложнению конструкции, в тоже время увеличивается профильная проходимость, улучшается маневренность при использовании бортовой схемы поворота. Для повышения адаптации многоколесных машин к поверхности сложного профиля их корпуса выполняют в виде секций, соединенных специальным шарниром, имеющим одну или несколько степеней свободы. При этом все колеса являются ведущими.
Гусеничная ходовая часть конструктивно более сложна, тяжела и менее надежна по сравнению с колесной, но обладает целым рядом существенных преимуществ, например, лучшей опорно-тяговой и профильной проходимостью, большей прочностью и т. д.
Гусеничный робот обладает более высокой проходимостью за счет надежного сцепления с поверхностью движения, может преодолевать препятствия в виде выступов и провалов, а также передвигаться по лестницам. Достоинством также является простота и отработанность схемы двухгусеничного движителя для традиционных транспортно-тяговых машин. К недостаткам следует отнести большие динамические нагрузки при преодолении препятствий с резким нарастанием крутизны (отдельные камни, выступы).
Высокую профильную проходимость обеспечивают четырех- и шестигусеничные транспортные средства. Так, например, передвижение робота осуществляется за счет трех пар гусеничных лент, установленных с правой и левой сторон корпуса (рис. 2). Причем главная (центральная) пара осуществляет перемещение по ровной поверхности, а две вспомогательные пары (наклоняющиеся) служат для преодоления препятствий. При необходимости машина может передвигаться в режиме шагания. Привод ходовой части машины и рабочего оборудования обычно электромеханический.
Рис. 2. Окно - выбор типа робота
Для того чтобы решить задачу синтеза системы управления, требуется знание всех текущих переменных состояний робота, которые впоследствии обрабатываются и на основе этого делаются выводы соответствующие поставленной задаче. Моделирование и вычислительные эксперименты позволяют повысить эффективность исследований динамических свойств колесных роботов и проанализировать различные варианты стратегий и схем управления (рис. 3).
Рис. 2. Окно - моделирование движения робота
104
Моделирование является основой построения макета системы управления и его усовершенствования по результатам натурных испытаний робота в реальных условиях. Особое значение имеет точность и быстродействие в оценке различных характеристик, таким образом, система управления должна строго обеспечивать вышеуказанные требования.
Список литературы
1. Ларкин Е. В., Акименко Т. А., Лучанский О. А. Моделирование движения автономных колесных транспортных средств: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 160 с.
2. Мартыненко Ю. Г. Управление движением мобильных колесных роботов// Фундаментальная и прикладная математика. М.: Центр новых информационных технологии МГУ. 2005. С. 29 - 80.
E.V. Filippova
MODELING TRAFFIC MOBILE ROBOT BASED terrain
The issues of software simulation of the robot, taking into account the terrain.
Key words: robot, terrain, the robot, and computer modeling.
Получено 20.01.12
