Транспортный робот с наблюдателем статического момента БГУИР КП 1-53 01 07 ПЗ

Министерство  образования Республики Беларусь

 

Учреждение  образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

 

 

Факультет  информационных технологий и управления

 

Кафедра  систем управления

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту

на тему

 

ТРАНСПОРТНЫЙ  РОБОТ

С НАБЛЮДАТЕЛЕМ СТАТИЧЕСКОГО МОМЕНТА

БГУИР КП 1-53 01 07 ПЗ

 

 

Студенты	Олешкевич А.С. Столпинский Н.О.
Руководитель	Хаджинов М.К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2013

РЕФЕРАТ

 

РОБОТ-СНЕГОУБОРЩИК, ТРАНСПОРТНЫЙ, НАБЛЮДАТЕЛЬ СТАТИЧЕСКОГО МОМЕНТА, АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ

 

В курсовой работе рассмотрены вопросы расчета  основных параметров и моделирования наблюдателя статического момента на примере транспортного робота-снегоуборщика. Рассмотрена технологическая структура робота. На основании анализа назначения изделия робот-снегоуборщик и изучении его структурной схемы управления разработан алгоритм функционирования. Проведен анализ наблюдателя и системы навигации. Изучены и показаны виды ошибок навигации, возникающие в данной системе.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

РЕФЕРАТ 2

ВВЕДЕНИЕ 4

1   ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 6

1.1 Конструкция и принцип действия системы 6

1.2 Функциональная схема 10

1.3 Алгоритм функционирования 12

1.4 Приводное устройство 15

2  АНАЛИЗ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ 18

2.1 Общие сведения и классификация систем навигации 18

2.2 Система навигации с использованием одометрических алгоритмов 23

3   МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ 26

3.1 Математическая модель системы навигации 26

3.2 Математическая модель двигателя постоянного тока 28

3.3 Реализация наблюдателя статического момента инерции 32

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 35

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Роботы – автоматические системы, предназначенные для воспроизведения  двигательных и интеллектуальных функций  человека. От традиционных автоматов  отличаются большей универсальностью и способностью адаптации на выполнение различных задач, в том числе  в изменяющейся обстановке.

На сегодняшний день в сфере  робототехники особенное внимание уделяется проектированию транспортных роботов.

Транспортные роботы предназначены  для автоматизированного транспортирования  объектов, а также для управления различными транспортными системами. Исследования и разработки по созданию транспортных роботов интенсивно ведутся  во всем мире.

Наибольшее развитие и распространение  в настоящее время получили колесные транспортные роботы в виде мобильных  автоматических управляемых кранов и платформ, тележек, робокаров, оснащаемых во многих случаях различными манипуляционными устройствами, в зависимости от типа которых определяется область применения робота. Это и промышленные автоматизированные транспортно-складские системы, и гибкое автоматизированные производство, и военно-спасательные робототехнические системы, и бытовое хозяйство.

Все эти системы объединяет требование оптимального управления электроприводом  и требование точности навигации. Для большинства вариантов оптимального управления электроприводом, таких как: управление, обеспечивающее максимальное быстродействие, оптимальная стабилизация, оптимальное регулирование положения, нужно иметь информацию о статическом моменте на валу двигателя. Эта проблема может быть решена методами прямого измерения, или при помощи наблюдателя состояния. Первый подход требует использования 8 тензометров, расположенных на валу двигателя, которые определяют угол скручивания вала. Таким образом, зная диаметр вала и материал из которого он изготовлен, можно вычислить статический момент. Этот метод намного более точен по сравнению с представленным наблюдателем, но требует высокой точности установки тензометров, а система измерения особенно чувствительна к любым механическим возмущениям. По этой причине метод прямого измерения статического момента в промышленных условиях не используется.

В данном курсовом проекте на примере робота–снегоуборщика рассмотрена система оценки статического момента с помощью наблюдателя, которая требует определения легко поддающихся измерению координат таких, как: скорость вращения и вращающий момент двигателя. Так как эти величины измеряются в распространённой системе подчинённого регулирования, статический момент можно вычислить с помощью компьютерной системы.

 

1   ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Конструкция и принцип действия системы

 

Робототехническая система-снегоуборщик обеспечивает эффективное выполнение уборки местности от снега по команде путем распознавания расстояния и направления движения робота-снегоуборщика.

Робот-снегоуборщик может быть использован как для уборки снега на определенной местности, так и в качестве транспортного робота. Такая гибкая функциональность (универсальность) достигается модульностью компонентов.

 

 

Рисунок 1.1 – Изображение робота-снегоуборщика

 

Спереди на корпусе робота имеется часть для присоединения различного вида ковшей, таким образом, робот не является узкоспециализированным устройством. Ниже приведены примеры подключения различного рода ковшей.

 

 

 

Рисунок 1.2- Подключаемые узлы уборочной  части

 

Основная задача по уборке снега  может осуществляться в автоматическом режиме, что и рассматривается  дальше в курсовом проекте. Однако стоит  отметить, что дополнительная функциональность, как погрузка кусковых материалов, осуществляется с радиопульта.

В состав установленных на роботе комплексов приборов и оборудования входят:

• навесное оборудование
• система освещения
• приводы
• система связи
• пост управления
• энергоустановка
• система датчиков

 

Рисунок 1.3 – Обобщенная структура  робота-снегоуборщика

 

Типовой робот-снегоуборщик определяет зону, подлежащую чистке, путем использования ультразвукового датчика, расположенного в его корпусе, во время перемещения вдоль контура зоны, подлежащей чистке, которая огорожена стеной или ограничена препятствием, и планирует траекторию движения при уборке местности.

После этого робот-снегоуборщик рассчитывает длину своего перемещения и определяет текущее положение на основе сигнала, распознаваемого датчиком, который определяет количество оборотов в минуту и угол поворота колеса робота. Снегоуборщик обеспечивает приведение колеса в движение для перемещения вдоль запланированной траектории перемещения при уборке.

В системе имеется коррекция положения и устранение расхождений между вычисленной длиной перемещения и текущим положением, полученным на основе сигнала, распознанного датчиком, и фактической длиной перемещения и положением. Это обусловлено проскальзыванием колеса на неровной поверхности зоны, подлежащей чистке. По мере перемещения робота-снегоуборщика ошибка идентификации положения накапливается. Следовательно, робот может отклониться от запланированной траектории перемещения при чистке вследствие накопленной ошибки идентификации положения. В результате существует возможность того, что некоторая часть зоны, подлежащей чистке, останется неочищенной или одна и та же зона будет подвергнута неоднократной чистке. Соответственно эффективность работы снегоуборщика снижается.

Задача навигации робота-снегоуборщика, задачи определения встретившихся  преград и т.п. возлагаются на систему управления.

Система управления обеспечивает управление движением и работой технологического оборудования робота, а также адаптивное управление ходовой частью и энергетической установкой с учетом взаимодействия системы с окружающей средой.

Рисунок 1.4 – Обобщенная структура  мобильного робототехнического комплекса

 

Система управления включает в себя информационно-управляющую часть (аппаратура управления роботом, датчики, система  технического зрения и микропроцессоры  предварительной обработки информации), расположенную на мобильном роботе; пост оператора мобильного робота (пульт  управления, видеопросмотровые устройства; ЭВМ для обработки информации) и комплект приемо-передающей аппаратуры, обеспечивающей передачу информации от робота на пост оператора и управляющих  команд от поста оператора на мобильный  робот.

1.2 Функциональная схема

 

Робот-снегоуборщик выполняет уборку снега по заранее составленной карте местности. Во время движения производится автоматическая коррекция траектории движения робота. Управление роботом осуществляется автономной СУ (бортовым компьютером) или по радио с помощью телерадиомодуля. СУ объединена с подсистемами датчиков, управления и связи.

Определение текущего положения и вычисление маршрута навигации выполняется с помощью бортового компьютера по индикационной информации с датчиков и камер, а так же имеющиеся базы знаний в запоминающем устройстве робота. Выходными исполнительными элементами служат привод движения робота и привод управления ковшом.

 

 

Рисунок 1.4- Функциональная схема робота-снегоуборщика

 

Центральное управляющее устройство выполнено с универсальной вычислительной машиной, функциональная схема которой  показана на рисунке 1.5. Центральное управляющее устройство содержит центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), дисплей, устройство ввода, запоминающее устройство и устройство связи.

Запоминающее устройство предусмотрено с драйвером робота-снегоуборщика, который задействуется при включении, так на дисплее отображается меню для настройки управления роботом. Драйвер снегоуборщика обрабатывает данные, выбранные в меню пользователем, и управляет роботом в соответствии с выбором, сделанным пользователем. Меню включает в себя основное меню, обеспечивающее возможность выбора операции снегоуборки и операции автоматического слежения, и субменю, включающее в себя список выбора заданных зон и рабочий режим.

 

 

Рисунок 1.5- Блок-схема связи по шине данных вычислительной машины и функциональных блоков робота-снегоуборщика

 

1.3 Алгоритм функционирования

 

Робототехническая система-уборщик  должна обеспечивать эффективное выполнение уборки от снега площадей.

Система управления роботом-уборщиком  вычисляет маршрут движения к  заданному участку согласно командам управления, учитывая особенности местности для уборки. Т.к. процесс построения карт это отдельная достаточно сложная тема, то ниже приведен лишь общий алгоритм составления карты среды.

Рисунок 1.6 – Алгоритм составления  карты местности

 

Созданный скорректированный маршрут движения хранится в памяти робота в системной базе знаний рабочих карт и траекторий движений. При повторном выполнении команды в уже известной рабочей точке робот использует имеющиеся данные и лишь при необходимости их обновляет и корректирует.

На протяжении всего времени движения и работы робота происходит анализ и оценка отклонения движения. При превышении величины ошибки рассогласования траекторий осуществляется новая корректировка.

Учет аккумулируемого заряда батареи  ведется по заданным оценочным уровням. При достижении предельного уровня робот прекращает выполнение текущего процесса и по уже известному маршруту рабочей карты возвращается к  отправной точке. В этой точке робот будет ожидать подзарядки. При этом значение текущей команды на выполнение работ не обнуляет. После подзарядки аккумулятора робот вновь анализирует текущую команду и последнюю использованную рабочую карту и траекторию и движется к рабочей точке для выполнения уборочных работ.

 

 

Рисунок 1.7 - Алгоритм функционирования робота-снегоуборщика

 

1.4 Приводное устройство

 

Робототехническая система-уборщик  должна обеспечивать эффективное выполнение уборки снега независимо от пробуксовки колес или неровностей местности, а так же иметь амортизирующее устройство, которое позволяет роботу плавно перемещаться через препятствие, такое как камни или выемки, во время уборки снега.

Рисунок 1.6 – Вид в перспективе приводного устройства

 

На рисунке 1.6 приняты следующие обозначения: 1 - два электродвигателя, 2 - два ведущих колеса, 3 - ведущий шкив, 4 - ведущая ось, 5 - два ведомых колеса, 6 - ведомая ось, 7 - ведомый шкив.

 

Вышеуказанные особенности достигаются  за счет создания приводного устройства робота-снегоуборщика, содержащего два электродвигателя, расположенных в корпусе, которые приводятся в действие с помощью соответствующих источников питания, два ведущих колеса, приводимых во вращение с помощью двух электродвигателей, и четыре ведомых колеса, следующих за двумя ведущими колесами. Приводное устройство дополнительно включает в себя средство для передачи движущей силы, которое заставляет ведущие колеса и ведомые колеса двигаться совместно друг с другом, сборный корпусной элемент, расположенный в корпусе робота-пылесоса и предназначенный для обеспечения опоры для двух ведущих колес и двух ведомых колес, и амортизирующее устройство, расположенное в сборном корпусном элементе и предназначенное для амортизации удара, возникающего из-за воздействия со стороны поверхности, подвергаемой чистке.