Наземный колесный гироскопический стабилизатор с горизонтируемой двухстепенной платформой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-50

НАЗЕМНЫЙ КОЛЕСНЫЙ ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР С ГОРИЗОНТИРУЕМОЙ ДВУХСТЕПЕННОЙ ПЛАТФОРМОЙ

А.И. Черноморский, В. А. Петрухин, В.В. Михеев

Представлена конструкция макетного варианта наземного колесного гироскопического стабилизатора как носителя аппаратуры мониторинга окружающего пространства. Его платформа стабилизируется в плоскости горизонта с помощью перемещающихся стабилизирующих и компенсирующего маховиков. Предложено аппаратно-программное обеспечение решения задач стабилизации платформы, навигации и траекторного движения наземного колесного гироскопического стабилизатора.

Ключевые слова: наземный колесный гироскопический стабилизатор, платформа, маховики, стабилизация, навигация, траекторное движение.

Введение. Одними из перспективных носителей аппаратуры мониторинга окружающей среды являются наземные одноосные колесные модули с платформой, на которой эта аппаратура устанавливается. Разнообразные вопросы, связанные с принципами построения, управления тра-екторным движением и угловой ориентацией платформы, навигацией модулей и их применением, рассмотрены в целом ряде работ [1-3]. Показано, что одноосные модули перспективны, в частности, при решении задач мониторинга в пространстве аэродрома: при измерении уклонов подстилающей поверхности; наведении визирной линии для наблюдения за объектами аэродромной наземной инфраструктуры и воздушного пространства. В [4, 5] рассмотрен вариант перспективного одноосного колесного модуля с платформой, имеющей две степени свободы относительно оси колесной пары. Такой модуль фактически представляет собой наземный колесный гироскопический стабилизатор (НКГС) с двухстепенной платформой и обеспечивает возможность как транспортировки аппаратуры по заданному маршруту, в общем случае на неровной поверхности, так и управления угловой ориентацией аппаратуры мониторинга заданным образом относительно плоскости горизонта и в азимуте. Целью настоящей работы является изложение результатов разработки макетного образца НКГС.

Физическая модель НКГС. На рис. 1 представлена физическая ЗЛ-модель НКГС. Будем полагать, что он может перемещаться по горизонтальной подстилающей поверхности с линейной скоростью V и разворачиваться вокруг вертикальной оси с угловой скоростью 0.

Плоская рама 1 НКГС прямоугольной формы шарнирно закреплена в двух колесных опорах 2, расположенных на оси ур (Орхрур1р - система координат, связанная с рамой, 2р - направлена по вертикали при горизонтальном положении рамы). На раме, в свою очередь, закреплена платфор-

276

ма 3, имеющая степень свободы относительно рамы вокруг оси хп (Опхпуп1п - система координат, связанная с платформой, 2п - нормальна к плоскости платформы). Оси шарниров рамы и платформы являются взаимно перпендикулярными: ось ур рамы ориентирована в поперечном направлении относительно направления движения, а ось хп платформы ориентирована вдоль направления движения. Центр масс Оц платформы и оборудования, установленного на ней, расположен над центром Оп платформы. На рис. 1 обозначена также опорная система координат Охух (плоскость ху - горизонтальная), в которой осуществляется навигация НКГС.

Рис. 1. SD-модель НКГС

Аппаратный состав НКГС включает в себя следующие функционально необходимые элементы: двигатели колес 4 с энкодерами; компенсирующий маховик 5 с двигателем; стабилизирующие маховики 6, 7 с двигателями; контроллеры двигателей маховиков и двигателей колес 8; линейные двигатели маховиков стабилизации 9; контроллеры линейных двигателей 10; инерциальные измерительные блоки 11 и 12 системы стабилизации платформы в плоскости горизонта и навигационной системы, расположенные соответственно на раме и платформе; микроконтроллеры 13 и 14; центральный вычислитель 15; приемник GPS 16.

Принцип работы НКГС в режиме стабилизации платформы в плоскости горизонта основан на использовании реактивных моментов стабилизирующих маховиков [6] и заключается в следующем. При действии возмущающих моментов на раму НКГС вокруг оси ур рама с платформой отклоняются от плоскости горизонта на угол а. Это отклонение измеряют акселерометры на раме в блоке 11. Сигналы акселерометров обрабатываются в центральном вычислителе и поступают на двигатель маховика 6. Он вращается с ускорением \& 1 и создает реактивный момент, действующий

на раму в направлении, противоположном возмущающему моменту, и компенсирующий этот момент. С целью ограничения частоты ^ вращения маховика 6 управляющий сигнал, пропорциональный, в частности, этой скорости, поступает также на линейный двигатель каретки маховика 6. Маховик смещается, и его момент силы тяжести относительно оси ур, действующий на раму, дополнительно компенсирует возмущающие моменты вокруг оси ур, уменьшая необходимый компенсационный реактивный момент маховика 6. При действии возмущающих моментов на платформу НКГС вокруг оси хп платформа отклоняется от плоскости горизонта на угол р. На основе сигналов акселерометров инерциального блока 12, измеряющих этот угол, формируется управляющий сигнал, поступающий на двигатель маховика 7, вращающийся с ускорением у 2 и развивающий реактивный момент относительно оси хп, компенсирующий возмущающий момент. Аналогично работе механизма дополнительной компенсации возмущающих моментов, действующих на раму, осуществляется линейное перемещение маховика 7 в функции скорости у2, что обеспечивает формирование момента силы тяжести этого маховика относительно оси хп, постепенно замещающего реактивный момент маховика 7.

Маховик 5 осуществляет компенсацию основной части возмущающих моментов сил инерции, приложенных к раме и платформе, порождаемых ускоренными движениями НКГС с линейным ускорением V и азимутальной угловой скоростью 0. Инерционные возмущающие моменты вокруг оси ур, порождаемые линейным ускорением V, при наличии смещения ОрОц центра масс платформы относительно этой оси, компенсируются реактивными моментами маховика 5, на двигатель которого поступает управляющий сигнал, пропорциональный скорости V. При этом моменты центробежных сил инерции вокруг оси хп, порождаемые азимутальной угловой скоростью 0 при наличии V и смещении ОпОц, частично компенсируются гироскопическими моментами этого маховика [7].

Решение задачи определения навигационных параметров движения НКГС осуществляется на основе комплексной системы навигации, в которой обрабатывается информация от микромеханического инерциального измерительного блока 12, энкодеров 4, измеряющих частоту вращения колес у1,у2, и спутникового навигационного приемника 16.

Траекторное управление движением НКГС осуществляется на основе комбинированной системы, включающей траекторную и локомоци-онную подсистемы [8, 9]. Схема траекторного управления представлена на рис. 2.

Траекторная подсистема содержит блок формирования модельной пространственно-временной траектории, который формирует модельные сигналы хм, ум, поступающие одновременно с сигналами от комплексной навигационной системы хк, ук, 0 к в вычислитель траекторной подсистемы.

Он формирует сигналы управляющих скоростей НКГС V ,0у, поступающие, в свою очередь, в локомоционную подсистему. Сигналы разностей V - Ук,0у - 0к (Ук,0к - скорости, вырабатываемые комплексной навигационной системой) через ПИД-регуляторы, управляют двигателями колес.

Траекторная подсистема

3 Л

о

НКГС 8

X К2

Г)

Г

1 Блок

1 модельной

1 траектории

Комплексная навигационная система

Двигатель колеса 1

Двигатель колеса 2

Вычислитель траекторнои подсистемы

Л,

Локом оционная подсистема

Рис. 2. Схема траекторного управления НКГС

Конструкция и аппаратно-программные решения НКГС. На

рис. 3 представлена конструкция макетного образца НКГС.

Основным несущим элементом НКГС является рама 1, имеющая прямоугольную форму размером 0,27x0,35 м, выполненная из алюминиевой профильной трубы сечением 0,02x0,02 м. Соединение элементов рамы - клёпаное. Ось ур колес 2 находится под плоскостью рамы на расстоянии 0,04 м; диаметр колес - 0,17 м. Платформа 3 изготовлена из алюминиевого листового материала толщиной 0,003 м, что обеспечивает её достаточную жёсткость без применения дополнительных силовых элементов. Допустимые углы поворота платформы составляют ±15°. Компоновка конструкции выполнена таким образом, что центр тяжести ОпОц смещен относительно центра платформы на 0,05 м. Общая масса конструкции составляет 8 кг. Габаритные размеры: длина - 0,4 м, ширина - 0,35 м, высота 0,28 м.

Для реализации управляемых поступательных перемещений маховиков стабилизации используется винтовая пара, вал которой приводится во вращение с помощью шагового двигателя; он управляется через контроллер. Схема конструкции узла со стабилизирующем маховиком, который может осуществлять управляемые как вращательные движения, так и поступательные перемещения, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Узел стабилизирующего маховика

На основании 1 с направляющими 2 установлен шаговый двигатель 3, приводящий во вращение винтовой вал 4, по которому перемещается каретка 5 с маховиком 7. Вращение маховика обеспечивается приводным двигателем постоянного тока 6.

Каждый из двух микромеханических инерциальных измерительных блоков 11,12 Ро1о1и ЛШМи у4 содержат трехосный гироскопический модуль Ь30Б20И и трехосный модуль акселерометров-магнетометров Ь8М303Б (рис. 3). Энкодеры на основе датчиков Холла установлены на приводных двигателях постоянного тока ЕГТ0493, 28РЛ5Ш соответственно маховиков и колес. Для решения навигационной задачи используется спутниковый приемник 7ББ-Р9Р.

Функциональная схема аппаратного обеспечения НКГС представлена на рис. 5.

Рис. 5. Функциональная схема аппаратного обеспечения НКГС

В центральный вычислитель (Raspberry Pi 3 model B) поступает информация от двух инерциальных измерительных блоков ИИБ об угловом положении НКГС, его ускорении, угловой и линейной скоростях (через протокол I2C), а также информация от спутникового приемника GPS и через микроконтроллер от энкодеров (Э) колес и маховиков (по СОМ-порту). В режиме директивного управления в центральный вычислитель поступает также информация от приемника сигналов оператора.

В центральном вычислителе формируются управляющие команды для исполнительных элементов блоков траекторного управления НКГС и стабилизации платформы. Управляющие команды для исполнительных элементов блоков траекторного управления - двигателей колес (ДК) поступают через контроллеры двигателей колес (КДК). Управляющие команды для исполнительных элементов блоков стабилизации платформы -двигателей стабилизирующих маховиков (ДСМ) и команды для двигателя компенсирующего маховика (ДКМ) поступают через двухканальные контроллеры двигателей маховиков (КДМ), а команды для линейных двигателей (ЛД) стабилизирующих маховиков поступают через контроллеры линейных двигателей (КЛД).

Управление движением и контроль текущих навигационных параметров и параметров ориентации НКГС можно осуществлять беспроводным способом через Wi-Fi канал центрального вычислителя НКГС. Струк-

тура программного обеспечения (ПО) включает в себя три основных модуля: ПО оператора НКГС, ПО центрального вычислителя, ПО микроконтроллеров.

Результаты моделирования. На основе моделирования режимов работы макетного образца определены параметры управлений исполнительными элементами блоков траекторного управления НКГС и блоков стабилизации платформы в плоскости горизонта.

На рис. 6, 7 представлены характерные результаты моделирования режимов стабилизации платформы при действии возмущающих моментов в виде ступенчатого воздействия порядка 0,3 Н.м на раму вокруг оси колесной пары ур и на платформу вокруг оси платформы хп.

Рис. 6. Процессы стабилизации платформы относительно плоскости горизонта: а - угол отклонения вокруг оси колесной пары; в - угол отклонения вокруг оси платформы

Видно, что отклонения от плоскости горизонта составляют по углу а около 1,6; а по углу в - 0,5 ° градуса. Время переходного процесса - 1,5 сек. При этом скорость маховика 6 достигает 215 об/мин, маховика 7...450 об/мин. Максимальные перемещения маховиков не превышают 0,08 м.

На рис. 8 представлен характерный процесс выхода и движения НКГС по модельной траектории, заданной уравнениями х^) = 40вт(? /100), у^) = 40Бт(? /1000). Начальное положение НКГС и его платформы определены координатами: х0 = 10м; у0 = 20м; 0 = 180°; а0 = 0°; в0 = 0° . Время моделирования 600 с.

Реализуемая траектория НКГС показывает, что он эффективно выходит на модельную траекторию и следует по ней. На рис. 9 и 10 представлены сопутствующие процессы стабилизации платформы в плоскости горизонта на начальном интервале (0.10 с) следования по траектории, на котором наблюдаются наибольшие возмущающие инерционные воздействия.

Рис. 7. Процессы вращательных и линейных движений маховиков при стабилизации платформы: ц/ц2 и р1 ,р2 - соответственно

скорости вращения и линейные перемещения стабилизирующих

маховиков 6, 7

25

20

15

10

— - реализуемая траектори - модельная траектория

— **

-50 -40 -30 -20 -10 0 X, м

10 20 30 40

Рис. 8. Модельная и реализуемая траектории перемещения НКГС

Как видно на рис. 9, наибольшее отклонение платформы (до 2,1°) наблюдается по углу а в момент начала движения НКГС; время переходного процесса не превышает 3 с. Частота вращения стабилизирующего маховика 6 при этом составляет не более 300 об/мин, а его максимальное перемещение - 0,08 м.

0123456789 10 Время, С

Рис. 9. Процессы стабилизации платформы относительно плоскости горизонта на начальном этапе движения НКГС

по траектории

к 500

ц 0

с

— ■500

0.1

- 0

-0.1

20

ю 0

о

14 -20

5

5

& 0

р.

-5

0123456789 10

0123456789 10

0123456789 10 х10'3

0123456789 10

Время, с

Рис. 10. Процессы вращательных и линейных движений маховиков при стабилизации платформы на начальном этапе движения НКГС

по траектории

Представленные результаты моделирования удовлетворяют требованиям, предъявляемым к конструкции макетного образца НКГС, и используются в процессе экспериментальных исследований.

Выводы. Разработана конструкция макетного образца наземного колесного гироскопического стабилизатора как носителя аппаратуры мониторинга окружающей среды. Отличительной особенностью конструкции является использование в качестве силовых исполнительных элементов

284

системы стабилизации платформы НКГС в плоскости горизонта стабилизирующих маховиков с управляемыми линейными перемещениями для ограничения частоты вращения маховиков. Предложены аппаратно-программные решения, обеспечивающие реализацию всего комплекса задач стабилизации платформы, навигации и траекторного движения НКГС.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Договор №17-08-00928\17).

Список литературы

1. Ориентация, навигация и стабилизация одноосных колесных модулей / Б.С. Алешин, А.И. Черноморский, С.В. Фещенко [и др.]; под ред. Б.С. Алешина, А. И. Черноморского. М.: Изд-во МАИ, 2012. 271 с.

2. Стабилизация в плоскости горизонта двухстепенной платформы одноосного колесного модуля, перемещающегося по заданной траектории на подстилающей поверхности / Б. С. Алешин, В. Н. Максимов, В. В. Михеев, А.И. Черноморский // Изв. РАН ТиСУ. 2017. №3. С. 135 - 147.

3. Максимов В.Н., Черноморский А.И. Система управления неголо-номным одноосным колесным модулем для мониторинга геометрических параметров аэродромных покрытий // Изв. РАН ТиСУ. 2015. №3. С. 156 - 167.

4. Черноморский А.И., Михеев В.В. Управление одноосным колесным модулем, перемещающимся на неровной поверхности по заданной траектории. Известия ТулГУ Технические науки. 2018. Вып. 12. С. 502 - 512.

5. Алешин Б.С., Михеев В.В., Черноморский А.И. Индикаторная стабилизация в плоскости горизонта двухстепенной платформы одноосного колесного модуля при его перемещениях по негоризонтальной неровной поверхности // Изв. РАН ТиСУ. 2018. №5.

6. Двухосный индикаторный маховичный гиростабилизатор / А.В. Кулешов, В.П. Подчезерцев, В.В. Фатеев, Д. А. Бордачев // Авиакосмическое приборостроение. 2015. № 11. С. 3 - 12.

7. Ишлинский А.Ю. Полная компенсация внешних возмущений, вызванных маневрированием в гироскопических системах // Сб. тр. АН УССР «Теория инвариантности и ее применение в автоматических устройствах». М., 1959. С. 81 - 92.

8. Максимов В.Н., Черноморский А.И. Система управления неголо-номным одноосным колесным модулем для мониторинга геометрических параметров аэродромных покрытий // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2015. № 3. С. 156 - 167.

9. Oriolo G. De Luca A., Vendittelli M. WMR Control Via Dynamic Feedback Linearization: Design, Implementation, and Experimental Validation // IEEE Transactions on Control Systems Technology 2002. Vol. 10, №. 6. P. 835-852.

Черноморский Александр Исаевич, канд. техн. наук, доцент, chernomor-scky@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт,

Петрухин Владимир Андреевич, инженер, riksorge@gmail.com, Россия, Москва, Московский авиационный институт,

Михеев Владислав Валерьевич, аспирант, slav009@yandex. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт

GROUND WHEELED GYROSCOPIC STABILIZER WITH A HORIZONTED TWO-TILED PLATFORM

A.I. Chernomorsky, V.A. Petrukhin, V. V. Mikheev

The prototype design of the ground two-wheeled gyroscopic stabilizer as a carrier of monitoring equipment for the surrounding environment is presented. Its platform is stabilized in horizon plane with the help of two moving stabilizing flywheels and one compensating flywheel. The hardware and software solutions to the problems of stabilization of the platform, navigation and trajectory movement of the ground two-wheeled gyroscopic stabilizer is proposed.

Key words: ground wheeled gyroscopic stabilizer, platform, flywheels, stabilization, navigation, trajectory movement.

Chernomorskii Alexander Isaevich, candidate of technical sciences, docent, cherno-morscky@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,

Petrukhin Vladimir Andreevich, engineer, riksorgeagmail. com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,

Mikheev Vladislav Valer 'evich, postgraduate, slav009ayandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute