Разработка и исследование необитаемого подводного аппарата для выполнения аварийно-спасательных работ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 626.02.008

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ РАБОТ

© 2013 г. А.В. Писаренко, Ф.Д. Юрчик

Дальневосточный федеральный университет Far Eastern Federal University

Приведены структура комплекса и необитаемого подводного аппарата,, кинематическая схема манипулятора с вырожденным звеном, система управления движением манипулятора, представлены результаты исследования переходных процессов в приводах.

Ключевые слова: необитаемый подводный аппарат; манипулятор; кинематическая схема; уравнение Лагранжа; система управления; обобщенная координата; следящая система двустороннего действия.

In this article are presented a complex structure and remotely operated vehicle, the kinematic scheme of the manipulator with the fictitious link, a control system of the manipulator motion, results of research of transient processes in the drives with respect to time.

Keywords: unmanned underwater vehicles; manipulator; kinematic chain; equation Lagrange's; control system; generalized coordinate; servomechanism double-end action.

Введение

Количество технических средств транспорта и связи увеличивается с каждым днём, повышается скорость и радиус действия надводных и подводных кораблей, летательных и космических аппаратов, что приводит к увеличению числа аварий в акваториях Мирового океана. Проблемы, связанные с проведением аварийно-спасательных работ под водой, в последнее время возникают наиболее интенсивно [1]. Сбор фрагментов техники со дна моря, спасение людей, обследование мест аварии затонувших объектов -задачи сложные и трудоемкие. С ростом глубины погружения или в особо сложных подводных условиях физиологического и психологического характера возможности человека становятся ограниченными. Поэтому стремление уменьшить риск для водолаза, повысить безопасность и эффективность работы под водой, снизить стоимость таких работ привело к необходимости создания подводных робототехнических комплексов (ПРТК), а в частности необитаемых подводных аппаратов (НПА) [2].

Выбор структуры ПРТК

Важной задачей при разработке структуры ПРТК является выбор схемы соединения отдельных элементов комплекса: судна-носителя, различных НПА, трос-кабелей и кабелей, имеющих плавучесть, близкую к нейтральной, а также коммутационных блоков и подводных гаражей, служащих для защиты НПА. Наиболее традиционными решениями в этой области являются следующие схемы: а - однозвенная; б - двух-звенная распределенная; в - двухзвенная сосредоточенная; г - двухзвенная V-образная [3].

Однозвенная структура комплекса содержит НПА, телеуправляемый по кабелю с обеспечивающего судна-носителя (СН). Подобный способ наиболее пригоден для проведения работ на малых глубинах (до 100 м).

В двухзвенную распределенную структуру комплекса вводят дополнительный коммутационный блок (КБ) с отрицательной плавучестью. Эта схема предусматривает соединение КБ с одной стороны при помощи несущего трос-кабеля с обеспечивающего СН, с другой - посредством плавучего кабеля с НПА. Основным недостатком отмеченной схемы является сложность управления спускоподъемными работами при постановке ПРТК в аварийном районе, что значительно снижает практическую применимость схемы на глубинах свыше 300 м.

В двухзвенной сосредоточенной структуре режим погружения и подъема ПРТК упрощается, если КБ выполнен в виде гаража для размещенного внутри него НПА.

В двухзвенной сосредоточенной V-образной структуре эти режимы упрощаются благодаря конструктивному исполнению НПА, позволяющему совершать соединение с трос-кабелем для оперативного погружения и подъема НПА и КБ.

Анализ НПА

Технические решения, обеспечивающие более эффективное выполнение подводных работ вблизи затонувшего объекта, основаны на совершенствовании ряда свойств аппаратов-аналогов [4, 5].

В качестве аналогов были рассмотрены следующие НПА:

1) рабочий телеуправляемый подводный аппарат (ТПА) модульного типа «Кугуар», разработанный британской компанией «Seaeye» [4];

2) многофункциональный ТПА RT-1000 PLI, разработчик — ФГУП ГНЦ «Южморгеология» [5];

3) ТПА Super Mohawk производства Shilling Sub-Atlantic Alliance [5].

Проанализировав аналоги по основным характеристикам: структура комплекса, быстродействие,

конструкция манипуляционного устройства, вид используемого оборудования, - можно сделать вывод, что эти аппараты имеют несколько недостатков. К ним относятся: а) структура комплекса - двухзвенная сосредоточенная, что приводит к существенному увеличению времени при выводе НПА и стыковке с коммутационным блоком [3]; б) работа манипуляцион-ным устройством затруднена с объектами произвольной формы (с отношением диаметра к линейному размеру 1:4); в) при выполнении операций манипуля-ционным устройством осуществляется двойное преобразование энергии [2]. Необходимо спроектировать НПА, который позволял бы выполнять захват объекта, объем которого менее или равен объему аппарата (с отношением поперечного к продольному размеру объекта 1:8), желательно без двойного преобразования энергии, требующего постановки электрического и гидравлического приводов [2].

Предлагаемая конструкция НПА

и манипуляционного устройства

Результатом разработки является НПА, изображенный на рис. 1. Данный аппарат содержит: 1 - рамную конструкцию корпуса; 2 - движительно-рулевой комплекс, состоящий из шести винтомоторных агрегатов; 3 - манипуляционное устройство.

Рис. 1. Внешний вид модели НПА с объектом произвольной формы (изометрия)

Захват объектов предложено осуществлять мани-пуляционным устройством 3, которое состоит из четырех семизвенных манипуляторов, симметрично расположенных относительно центра масс НПА. Данное устройство с системой двустороннего действия по усилию позволит производить захват легкодеформи-руемых и хрупких объектов.

Исследование динамики системы двустороннего действия

Система приводов манипулятора имеет ряд специфических особенностей. Следящие приводы, установленные в степенях подвижности манипулятора, должны согласованно выполнять требуемые движения. При этом они взаимодействуют через исполнительный механизм и источник питания, порой сильно взаимовлияя друг на друга, испытывают значительные динамические и статические нагрузки [2].

Для составления и исследования математической модели динамики манипулятора, кинематическая схема которого представлена на рис. 2, использовалась упрощенная кинематическая схема манипулятора.

Рис. 2. Кинематическая схема манипулятора: qi - обобщенная координата г-й кинематической пары;

С - характерная точка захватного устройства

В упрощенной кинематической схеме манипулятора (рис. 3) с вырожденным звеном О перемещение точки С захватного устройства осуществляется в фронтальной плоскости. С каждым звеном связана г-я система координат. В четырехзвенном манипуляторе звенья образуют между собой и с вырожденным звеном О кинематические пары вращательного типа.

Система ОХ0У^0 связана с неподвижным основанием О и введена как фиктивная (длина звена 10 = 0), с учётом правила ориентации осей следующих систем, при этом остальные системы располагаются согласно варианту выбора систем координат [6].

/

0

/А

Xo Zi

Yo 0i у1 qi

1

Xi

X2

С Y4 Z4

Рис. 3. Упрощенная кинематическая схема манипулятора

0

Обобщенными координатами являются углы q1, q2, qз относительного поворота звеньев 1, 2, 3 плоских шарниров, которые определяют конфигурацию манипулятора и положение захватного устройства.

Кинематические соотношения позволяют перейти к записи уравнений динамики манипуляторов произвольной структуры, которые характеризуют связь положения, скорости и ускорений их звеньев с управляющими и возмущающими силами и моментами. Уравнения динамики могут быть получены различными способами. В данном случае использовалось уравнение Лагранжа второго рода.

Выражение кинетической энергии манипулятора имеет вид

T -1 2

l2

ml"4 ql2 + m2

fl 2

fl2

+l12 +l2l1 cosq2

+2

^ l ^ ^ 22

—+—1 cosq2 4 2 1

У У

+m3

V

fl2

l3 л2

q2+

4

qj +

l2 2

-4-+l22 +l2l3cos?3

q22+

l2 2 2 +l| +l2l3 cosq3 +l2l1 cosq2 +l3l1 cos(q2 +q3 )+l12

Л

q2 +

+2

f l2 l l l2 l "4"+yl2 cosqj + yl cosq2 + 4+yl1 cos(q2 + qj)

Л

q1q2 +

f »2

+2

l2 l l -4-+^3"l2 cosqj + yl1 cos(q2 + qj)

Л

q1q3 +

+2

f l2 l

l3 3 1

—+—l2cosq3 4 2 2 3

Л \

q2q3

У

+(-/1 Н^ )2 + '13 (% + <?2 +?3 )2),

где - масса i-го звена; Ji - момент инерции i-го звена; qi - положение i-го звена; qi - скорость /-го звена; /, - длина /'-го звена.

Математическая модель динамики манипулятора примет следующий вид:

Ми +М1В = (МЩ +М1сух.тр +М1вяз.трЬ +М1П ;

М2И +М2В = (М2Д +М2сух.тр +М2вяз.трЬ +М2П ;

М3И +М3В = (М3Д +М3сух.тр +М3вяз.трЬ +М3П ,

где МИ, МВ, МП - инерционная, взаимовлияния и потенциальная составляющие момента двигателя соответственно; Мд - развиваемый момент двигателя; М Мв - сухое и вязкое трение, приведённые к валу двигателя, соответственно; п - передаточное число редуктора.

Следящий системой двустороннего действия (СДД) оснащается каждая степень подвижности копирующего манипулятора (рис. 3), как показано на функциональной схеме рис. 4.

Системы СДД обеспечивают значительное повышение эффективности использования дистанционного управления. Они позволяют информировать оператора о силах, развиваемых исполнительным органом, и внешних воздействиях. Оператор принимает информацию в виде, наиболее удобном для восприятия, посредством ощущения [7].

Человек-оператор изменяет положение и ориентацию в пространстве рукоятки управления задающего манипулятора (координаты Хз; Yз; Zз; ах; ау; az), прикладывая к нему соответствующие усилия и моменты (Рх; Ру; Рг, Мх; Му; МХ).

Аналогичные координаты и воздействия присущи и схвату исполнительного манипулятора, взаимодействующего с объектом работ.

Рассмотрим систему управления движением копирующего манипулятора, функциональная схема, которой представлена на рис. 5.

Рис. 4. Функциональная схема биотехнической системы человек-оператор - копирующий четырехстепенной

манипулятор двустороннего действия

+

Рис. 5. Функциональная схема системы управления манипулятора

Схема содержит: 1 - задающий манипулятор; 2, 3, 4 - его приводы; 5 - исполнительный манипулятор; 6, 7, 8 - его приводы; 9 - специализированный вычислитель; 10 - регистрирующее устройство; 11 - блок исходных данных. Принцип работы заключается в следующем. Человек-оператор движением рукоятки задающего манипулятора 1 формирует управляющие воздействия с датчиков положения задающих приводов 2, 3, 4 на исполнительный манипулятор 5, а именно на приводы 6, 7, 8. В свою очередь с датчиков этих приводов поступают сигналы положения, скорости и момента в вычислитель 9. Блок 9 предназначен для непрерывного вычисления составляющих уравнений динамики манипулятора. Далее с блока 9 поступают сигналы на приводы 6, 7, 8. Результаты изменений qi , qi , дг индицируются на регистрирующем

устройстве 10. В блоке 11 задаются все исходные данные, которые необходимы для вычислителя 9.

При выполнении декомпозиции по отдельным степеням можно выделить структурную схему системы управления г-й, например 1-й степени подвижности (рис. 6). Структурная схема системы СДД по положению представлена на рис. 6, где

1 - передаточная функция (ПФ) П-регулятора положения

^РП.ИО

(s) -

3(s)

>(s)

=K

РП.ИО

L .

Г"

acn.ua

a Uocc.uo Ul Ul

'ocm.ua

2 - ПФ П-регулятора скорости

U

W„

3(s) -

РС.ИО(5)

U

•'С.е.ИО(5)

3 - ПФ ПИ-регулятора тока

- K

(s) --Ki

K

S

уТ.е.ИО (5)

4 - ПФ преобразователя

ГПИО( 5 ) = и ПИ0( 5 ) =-

иРТ.ИО (5) ТП.ИО^ +1

5 - ПФ электрической части двигателя

K

П.ИО

,(s) -

I

ДВ.ИО

(s)

l/Rr

и П.ИО(5) (ТЭ.ИО ^ + 1)

6 - ПФ механической части двигателя

,(s) -

)(s) _ кд.ио^>.ио

ДВе.ИО

(s)

^МЕ.ИО S

7 - ПФ редуктора WР.ИО (5) = 8, 9, 10 - ПФ датчиков тока

и

аИО (s) _ КР.ИО .

Юио (s) S '

W

ДТ.ИО

(s) -

ОСТ.ИО

(s)

ДВ.ИО

U

(s)

- K

скорости №дс.ио (s) оссио(s) - K

Ют,

жения W

U

ДП.ИО

ОСП.ИО

(s)

(s)

-K

ОСС.ИО

поло-

соответствен-

аИО(5)

но; 11 - внешнее воздействие, состоящее из трех компонентов; 12 - сила тяжести; 13 - вязкостное сопротивление вращению ротора в двигателе; 14 - вязкостное сопротивление движению звена манипулятора в морской воде; 15 - блок умножения; 16 - привод управления положением вала нагрузки исполнительного органа; 17 - привод управления положением вала рукоятки задающего устройства;

18 - ПФ П-регулятора положения

W

РП.ЗУ

(s)-

U

РП.ЗУ

(s)

U

(s)

-K

РП.ЗУ

-тф1ШЬ0

бил ±нпгоцзм

Ul

ßcnjy

Uocc.*! Щмзу

21

аая щояпвси

Рис. 6. Структурная схема системы СДД по положению

+

Ю

19 - ПФ П-регулятора скорости

Wpc.3y(S) -

^РС.ЗУ (s)

- K

РС.ЗУ :

иС.е.ЗУ(5)

20 - ПФ ПИ-регулятора тока

и/ ПРТ.ЗУ(5) _ ^ , К2РТ.ЗУ .

"РТ.ЗУ^-^ , .-^РТ.ЗУ"1" „ >

21 - ПФ преобразователя

ПП.ЗУ(5) _ КП.ЗУ .

^П.ЗУ(5) = П ( ) т О+1 у ПРТ.ЗУ(5) ТП.ЗУ о +1

22 - ПФ электрической части двигателя

^ЭЗУ(5) = ^ДВ^ = 1/^0.ЗУ ;

— - Пп .ЗУ

(5) (Тэ.ЗУ О+1)

23 - ПФ механической части двигателя

ЮЗУ(5) _КД.ЗУ^О.З У .

WM.3y(s)-- ( ) T ДВ.ЗУ (s) TM

24 - ПФ редуктора WP 3y (s) -

МЕ.ЗУ S аЗУС0_ КР.ЗУ .

®ЗУ (s) S

25, 26, 27 - ПФ датчиков тока

W

ДТ.ЗУ

(s) -

U

ОСТ.ЗУ

(s)

ДВ.ЗУ

скорости ^ДС.ЗУ (s) -

Un

(s) r(s)

- K

ОСТ.ЗУ :

Юзу(Х)

- K

ОСС.ЗУ

W

Un

.(s)

ДП.ЗУ

a (s)

ЗУ

обратной связи по положению исполнительного органа и задающего устройства соответственно.

Для исследования выбраны следующие номинальные параметры: масса нагрузки тн =10 кг , длина

и ширина звена Lн = 0,5 м и Вн = 0,1м, температура силиконового масла ПЭС-1 ^ =+40о, плотность морской воды р = 1025 кг/м3, скорость вращения вала редуктора до 0,3 об/с, угол поворота вала редуктора 120о. Поскольку ЭДС двигателя на процессы в контуре тока существенного влияния не оказывает [8], влияние ЭДС двигателя в системе подчиненного регулирования не учитываем.

На рис. 7 представлены переходные процессы а -в контуре положения, б - в контуре скорости, в - в контуре тока в системе СДД (рис. 6) при номинальных параметрах, где характеристики 1 обозначают процессы в приводе задающего устройства, а 2 - в приводе исполнительного органа соответственно.

q¡ (г X рад

1 .....

ур^с 2

положения

(t), рад/c а ^ с

2 1 -

-КОСПЗУ соответственно; аИО и

t, с

аЗУ - уголы поворота вала редуктора; шИ0 и шЗУ - скорости вращения вала двигателя; /дв.ио и /дв.зу - токи двигателя; П0СПИ0 и П0СПЗУ - напряжения обратной связи по положению; и0ССИ0 и и0ССЗУ - напряжения обратной связи по скорости; Пост.ио и Пост.зу - напряжения обратной связи по току; ПРПИ0 и ПРПЗУ -напряжения регулятора положения; ПРСИ0 и ПРСЗУ -напряжения регулятора скорости; ПРТИ0 и ПРТЗУ -напряжения регулятора тока; ППеИ0 и ППеЗУ - напряжения ошибки по положению; ПСеИ0 и ПСеЗУ - напряжения ошибки по скорости; ПТеИ0 и ПТ еЗУ - напряжения ошибки по току; ППИ0 и ППЗУ - напряжения преобразователя; КПИ0 и КПЗУ - коэффициенты преобразования; ТПИ0 и ТПЗУ - постоянные времени преобразователя; R0.И0 и R0.ЗУ - сопротивления якорной обмотки двигателя; ТЭИ0 и ТЭЗУ - постоянные времени электрической части двигателя; Кд.ио и Кд.зу -коэффициенты двигателя; Тмхио и Тм^.зу - постоянные времени механической части двигателя с учетом нагрузки; КРИ0 и КРЗУ - коэффициенты редуктора; К0СТИ0 и К0СТЗУ - коэффициенты обратной связи по току; К0ССИ0 и К0ССЗУ - коэффициенты обратной связи по скорости; К0СПИ0 и К0СПЗУ - коэффициенты

50 0

-50 / (г )=q¡ (г), А

10 5 0

-5 -10

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 г, с в

Рис. 7. Переходные процессы в системы СДД по положению

Как видно из рис. 7 а, переходный процесс 2 по положению в исполнительном органе запаздывает по сравнению с процессом 1 в задающем устройстве до 0,5 с, что объясняется инерционностью нагрузки, приведенной к валу двигателя 1-й степени подвижности исполнительного манипулятора. Аналогичный характер запаздывания представлен на рис. 7 б, в в контуре скорости и контуре тока соответственно. Динамическая ошибка в контурах положения и скорости при номинальных параметрах не превышает 10 %, статическая - близкая к нулю. В контуре тока характерна статическая ошибка, что объясняется действием силы тяжести нагрузки.

2

1

Существенное влияние на время переходного процесса системы СДД оказывает масса нагрузки [9]. При увеличении тн в два раза время переходного процесса увеличивается на 50 %. Влияние вязкостного сопротивления вращения ротора в двигателе и вязкостного сопротивления движению звена манипулятора в морской воде при номинальной скорости вращения вала редуктора незначительно. При увеличении скорости вращения вала редуктора на 10 % вязкостное сопротивление возрастает в 1,2 раза.

Выводы

Оснащение системами СДД всех приводов многозвенного манипулятора позволяет оператору оценивать нагрузки, действующие на каждое звено. В случае плохой видимости, обусловленной наличием взвесей в водной среде, удается сформировать по реакциям силовой обратной связи образ исследуемого объекта. Предложенная структура системы позволяет создать более комфортные условия работы оператору, сформировать рациональные законы управления, повысить эффективность дистанционного управления и безопасность производства работ.

Таким образом, установкой распределенного ма-нипуляционного устройства с использованием следящих систем двустороннего действия, оригинальной компоновкой движительно-рулевого комплекса и предложенной формой конструкции корпуса удается минимизировать затраты энергии и времени на этапах погружения и подъема комплекса, обеспечить человека-оператора информацией о силовых воздействиях исполнительных механизмов на управляемый объект,

Поступила в редакцию

снизить требования к уровню подготовки оператора и

повысить качество выполнения аварийно-спасательных и подводно-технических работ.

Литература

1. Бабанин В.П. Судоподъемные работы : учеб. пособие. М., 2006. 206 с.

2. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы / В.С. Кулешов [и др.]; под общ. ред. Е.П. Попова. М., 1986. 328 с.

3. Писаренко А.В., Юрчик Ф.Д. Вопросы разработки подводного робототехнического комплекса для выполнения аварийно-спасательных работ // Будущее машиностроения России / сб. тр. Всерос. конф. молодых ученых и специалистов. М., 2008. С. 259 - 264.

4. URL: www.tetis-pro.ru

5. URL: www.diveservice.ru

6. Робототехника и гибкие автоматизированные производства: в 9 кн. Кн. 5: Моделирование робототехнических систем и гибких автоматизированных производств : учеб. пособие для вузов / С.В. Пантюшин, В.М. Назаретов, О.А. Тягунов [и др.]; под. ред. И.М. Макарова. М., Высш. шк., 1986. 175 с.

7. Егоров И.Н., Жигалов Б.А., Кулешов В.Г. и др. Проектирование следящих систем двустороннего действия. М., 1980. 300 с.

8. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера: 3-е изд., перераб. и доп. М., 1982. 416 с.

9. Писаренко А.В., Юрчик Ф.Д. Исследование следящей системы двустороннего действия с переменными параметрами нагрузки // сб. материалов науч. конф. «Воло-гдинские чтения» Дальневосточного федерального университета. Владивосток, 2011. С. 24 - 27.

20 февраля 2012 г.

Писаренко Антон Владимирович - аспирант, Дальневосточный федеральный университет. E-mail: [email protected]

Юрчик Федор Дмитриевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология промышленного производства», Дальневосточный федеральный университет. E-mail: [email protected]

Pisarenko Anton Vladimirovich - post-graduate student, Far Eastern Federal University. E-mail: [email protected]

Yurchik Fedor Dmitrievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of industrial production», Far Eastern Federal University. E-mail: [email protected]