Об управлении положением центра масс подводного робототехнического понтона с якорно-тросовыми движителями | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 28 декабря, печатный экземпляр отправим 1 января.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: , ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №23 (261) июнь 2019 г.

Дата публикации: 05.06.2019

Статья просмотрена: 2 раза

Библиографическое описание:

Пеньшин И. С., Гулевский В. В., Титаренко В. Б. Об управлении положением центра масс подводного робототехнического понтона с якорно-тросовыми движителями // Молодой ученый. — 2019. — №23. — С. 114-119. — URL https://moluch.ru/archive/261/60178/ (дата обращения: 14.12.2019).



Рассматривается задача влияния положения центра масс на усилия в тросах, управление длиной которых обеспечивает поступательное движение перемещаемого объекта в плотных средах.

Ключевые слова: движитель, мобильный робот.

The problem of the influence of the position of the center of mass on the forces in the cables, the control of the length of which ensures the translational motion of the object being moved in dense media.

Keywords: propulsive device, mobile robot.

Введение

Среди робототехнических систем предназначенных для перемещения по дну водоемов известны роботы, выполненные на основе понтонов, перемещающихся с помощью якорно-тросовых движителей [1,2]. Кинематическая схема и принцип работы таких движителей представлены на рис. 1.

Рис. 1. Кинематическая схема и принцип работы якорно-тросового движителя мобильного робота с положительной плавучестью: а), б) — соответственно исходное и последующее положение фрагмента робота 1 — якорь, 2, 3 — тросы, 4 — управляемые барабаны, 5 — передвижной груз для изменения положения центра масс,6 — траектория переноса якоря, 7 — профиль дна, a — расстояние от центра масс робота до точки приложения выталкивающей силы F, bj — расстояние от центра масс робота до оси барабана, αn угол ориентации троса

Одной из особенностей таких движителей, в силу работы тросов на растяжение, является существование перераспределения сил натяжения при передвижении понтонов с сохранением их ориентации и, тем более, при переносе, как минимум одного движителя в новое положение. В отличии от известных шагающих машин [3, 4] где также при движении изменяются силы взаимодействия с грунтом, за счет его деформации, у якорно-тросовых движителей следует управлять приводами для обеспечения необходимых сил натяжения, обеспечивающих требуемую ориентацию понтона.

Постановка задачи

Одной из проблем передвижения роботов с помощью движителей, дискретно взаимодействующих с опорной поверхностью, является проблема энергетической эффективности [6, 7, 8]. Известны различные способы ее решения, и в частности за счет выбора программного движения робототехнического средства, обеспечивающего минимум энергетических потерь [9, 10]. Минимум энергетических потерь можно обеспечить за счет управления усилиями в тросах, а их величину I определить выражением [6].

(1)

где Tn — сила натяжения n троса, N — количество двигателей, αn- известный параметр двигателя, τ- время, за которое удобно измерить время перемещения понтона на расстояние L со скоростью v0.

τ = L/v (2)

Предположим, что все двигатели одинаковы, тогда αn в (1) можно опустить. Усилия Tn зависят от многих факторов: количества движителей, рельефа дна, скорости движения, положения центра масс и центра давления.

В работе рассматривается поступательное движение, с прямолинейным движением центра масс, перемещение робота-понтона, на котором установлено дополнительное тело, которое может вызывать изменение положение центра масс (a) понтона, что влияет на усилия Tn.

Ставится задача найти закон изменения положения центра масс a=a(t), обеспечивающего минимум энергетических потерь (1) при движении с заданной скоростью v и при неизменных остальных параметрах.

Метод решения

Уравнения равновесия перемещаемого объекта с учетом квазистатического характера поступательного движения представлены в виде системы из трех уравнений, линейных относительно сил Ti натяжения тросов:

(3)

В данном случае, при N ≥ 3, задача является статически неопределимой. При трех натянутых тросах исследуемая задача равновесия объекта становится статически определимой, систему уравнений (3) можно записать в виде (4), в случаях не общих, где количество неизвестных больше 3, а задача становится статически неопределимой, применяются дополнительные уравнения [10]:

,(4)

решение, которой относительно T1, T2, T3 тривиально.

Полученная система линейных уравнений позволяет определить усилия в тросах в зависимости от положения объекта.

Таблица 1

Значения параметров моделируемой системы

Параметр

Значение

b1, м

15

b2, м

4

b3, м

-8

G, кН

400

Ф, кН

500

L, м

3

h1, м

5

h2, м

5

h3, м

5

l1, м

3

l2, м

0

l3, м

2

Результаты расчетов

Рассмотрим три варианта системы при постоянной силе сопротивления Q = 50 кН, но с изменением параметра а, рассмотрены будут варианты с размером 1, 2 и 2,5 метра. Результаты расчетов при решении с учетом размера а=1 представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты расчета сил натяжения при а=1

dS

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

T1

64341,54

60954,19

47928,82

35127,74

22542,4

1078,1

T2

2586,207

8407,474

32299,86

55791,12

78898,42

100510,8

T3

45495,36

42790,65

31884,79

21124,39

10499,52

522,1592

Тср

37474,37

37384,1

37371,16

37347,75

37313,45

34037,02

Рис. 2. График зависимости сил натяжения T от пройденного пути dS при а=1

На рисунке 2 показан график зависимости силы натяжения тросов в зависимости от перемещения платформы, как видно из рисунка 1 перед достижением значения 0,1 происходит перенос якоря и изменение характеристик происходит скачкообразно сила натяжения второго троса начинает расти, а двух остальных начинает уменьшаться.

Далее рассмотрим результаты с а=2, результаты расчетов показаны в таблице 3, а график зависимости на рисунке 3.

Таблица 3

Результаты расчета сил натяжения при а=2

dS

0

0,1

0,2

0,27

0,3

0,4

0,5

T1

84448,27

86104,13

87737,76

88869,22

86786,19

73775,14

61618,17

T2

11206,9

7242,827

3278,482

500,7285

4132,676

27665,68

49670,75

T3

17641,06

19550,9

21439,77

22750,58

21124,39

10499,52

522,1592

Тср

37765,41

37632,62

37485,34

37373,51

37347,75

37313,45

37270,35973

Рис. 3. График зависимости сил натяжения T от пройденного пути dS при а=2

При изменении параметра а мы видим прирост пройденного пути dS на 0,1 метра, а значения сил натяжения выросли примерно на 30 %.

Далее рассмотрим случай, когда а=2,5, результаты расчета представлены в таблице 4, а график зависимости представлен на рисунке 4.

Таблица 4

Результаты расчета сил натяжения при а=2,5

dS

0

0,1

0,2

0,3

0,4

T1

94501

96069,89

97618,14

99148,59

100512,6

T2

15517,24

11554,03

7592,273

3627,201

51,88124

T3

3713,907

5717,717

7696,329

9651,663

11393,18

Тср

37910,72

37780,55

37635,58

37475,82

37319,22

Рис. 4. График зависимости сил натяжения T от пройденного пути dS при а=2,5

Анализируя рисунок 4 и результаты расчета из таблицы 4 можно сделать вывод, что пройденное расстояние составляет те же, что и в первом случае 0,4 метра, однако значения сил натяжения по сравнению с первым случаем увеличиваются более чем на 50 %, а кривая графика приобретает практически линейный вид.

Далее рассмотрим параметр оптимизации I, формула для его расчета представлена ниже:

(5)

А результат представлен в таблице 5.

Таблица 5

Результат расчета параметра Iв зависимости от dS

dS

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

I1

2003365022

1424424780

167282524,1

608283751

2666480490

6628299729

I2

3289633334

3599975398

3952875167

3810597900

2141521146

2097015786

I3

4873349756

5113502769

5396866550

5723443280

6054417364

Также зависимость представлена на рисунке 5:

Рис. 5. График зависимости параметра I от перемещения dS.

Как видно из представленных результатов в первом случае изменяется очень круто и после переноса одного якоря происходит неприемлемое увеличение параметра I, в третьем случае график практически линейный, но значения очень большие, поэтому наиболее приемлемым для дальнейшего исследования можно принять второй случай.

Анализ результатов

Анализ полученных результатов показывает:

 Пройденный путь dS почти не изменяется;

 Пиковые значения сил натяжения Т возрастают при увеличении расстояния между центром масс и центром плавучести платформы;

 Наиболее оптимальным значением по параметру I, является второй вариант расчета среди рассмотренных со значением размера а=2.

Из произведенной работы видно, что перемещение якоря 2 происходит при достижении значения силы натяжения в тросе равном нулю, затем наблюдается достижение угла в 270 градусов другими якорями и падение силы натяжения в их тросах, а в движителе 2, где произошел перенос якоря, происходит рост силы натяжения, тогда как в остальных движителях значение этой силы снижается.

Литература:

  1. Об оценке эффективности цикловых механизмов / Брискин Е. С., Калинин Я. В., Малолетов А. В. / Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2017. № 2. С. 13–19.
  2. О принципах движения роботизированных систем с движителями якорно-тросового типа / Пеньшин И. С., Смирная Л. Д., Брискин Е. С./ В книге: Прогресс транспортных средств и систем — 2018 Материалы международной научно-практической конференции. Под редакцией И. А. Каляева, Ф. Л. Черноусько, В. М. Приходько. 2018. С. 163.
  3. Mathematical modelling of mobile robot motion with propulsion device of discrete interacting with the support surface / Briskin E. S., Kalinin Y. V., Maloletov A. V.,Sharonov N. G. / IFAC-PapersOnLine (см. в книгах). 2018. Т. 51. № 2. С. 236–241.
  4. Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости / Охоцимский Д. Е., Брискин Е. С., Чернышев В. В., Шерстобитов С. В. / патент на изобретение RUS 2156711 09.06.1999
  5. Об управлении движением автономного робототехнического комплекса с якорно-тросовым движителем / Платонов В. Н., Брискин Е. С., Шаронов Н. Г. / В книге: Прогресс транспортных средств и систем — 2018 Материалы международной научно-практической конференции. Под редакцией И. А. Каляева, Ф. Л. Черноусько, В. М. Приходько. 2018. С. 146–148.
  6. Оптимизация в инженерных и управленческих задачах / Волчков В. М., Годенко А. Е., Калинин Я. В., Тарасова И. А. / Учеб. пособие / Волгоград, 2018.
  7. Математическое моделирование робота с переменным вектором тяги / Павловский В. Е., Яцун С. Ф., Емельянова О. В., Стуканёва С. П. / В сборнике: Второй Всероссийский научно-практический семинар «Беспилотные транспортные средства с элементами искусственного интеллекта» Труды семинара. Российская ассоциация искусственного интеллекта. 2015. С. 99–106.
  8. Walking robot «character» as element of intelligent system / Briskin E. S., Maloletov A. V., Sharonov N. G., Kalinin Ya. V., Leonard A. V., Serov V. A., Shurygin V. A. / В сборнике: Advances in Cooperative Robotics: Proceedings of the 19th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, CLAWAR 2016 19th. 2016. С. 386–394.
  9. Об особенностях управления движением мобильных роботов с движителями якорно-тросового типа / Брискин Е. С., Серов В. А., Шаронов Н. Г., Пеньшин И. С. / Экстремальная робототехника. 2017. № 1. С. 336–343.
Основные термины (генерируются автоматически): пройденный путь, таблица, результат расчетов, результат расчета сил натяжения, график зависимости сил натяжения, поступательное движение, движитель, трос, мобильный робот, кинематическая схема.


Похожие статьи

Процесс отпускa и натяжения основы на ткацком станке

В работе рассмотрен процесс отпуска и натяжения основа на ткацком станке. С формулированы требования и приведены классификация механизмов отпуска и натяжения нитей основы.

Кинематика избыточного манипулятора робота для тушения...

Наш робот относится к манипуляционным роботам с кинематической избыточностью, число степеней подвижности которого превышает число степеней свободы рабочего органа манипулятора. Такие избыточные манипуляторы обладают повышенной маневренностью...

Кинематическая модель космического манипуляционного робота

Работа посвящена разработке кинематической модели космического манипуляционного

Уравнения движения точек и графики изменения величин обобщенных скоростей строятся на

На рис. 4 и рис. 5 представлены траектории движения точек робота в инерциальной...

Обзор и перспективы развития мобильных шагающих...

Проведен обзор конструкций шагающих роботов.

Ключевые слова: мобильные роботы, шагающие роботы, система управления шагающего робота.

Эти особенности машины с шаговым движителем могут быть востребованы при создании сельскохозяйственных роботов.

Математическое моделирование движения плоского...

Предложен оригинальный алгоритм расчета и показаны результаты численного моделирования движения звеньев с учетом моментов

Математическое моделирование процесса удержания робота за счет сил трения под действием переменных внешних сил описано в работах [7–8].

Анализ нагрузок, действующих на элементы конструкции ГТД

Рис.1. Схема действующих газовых сил на воздухозаборник.

Сила, действующая на корпус компрессора, будет складываться из осевых сил и крутящих моментов, действующих на

Рис. 7. Некоторые результаты моделирования газовых сил, действующих на элементы проточной...

Оценка воздействия неравномерности крутящего момента...

В результате исследований модели получен комплект осциллограмм изменения крутящего момента на ведущем колесе на разных эксплуатационных режимах. Определены значения частот собственных колебаний масс силовой передачи.

Модель для исследования качества управления транспортным...

Приближенный метод расчета вектора скорости. Предлагаются так же различные

Для исключения перерегулирования необходимо вычислять и учитывать тормозной путь для текущей скорости

Остановить робот мгновенно и точно в заданной точке невозможно (что связано, в...

Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма

Рассмотрена задача кинематического анализа рычажного механизма. Определены возможности использования пакетов прикладных программ Mathcad и MSC ADAMS для кинематического исследования кривошипно-шатунного механизма.

Похожие статьи

Процесс отпускa и натяжения основы на ткацком станке

В работе рассмотрен процесс отпуска и натяжения основа на ткацком станке. С формулированы требования и приведены классификация механизмов отпуска и натяжения нитей основы.

Кинематика избыточного манипулятора робота для тушения...

Наш робот относится к манипуляционным роботам с кинематической избыточностью, число степеней подвижности которого превышает число степеней свободы рабочего органа манипулятора. Такие избыточные манипуляторы обладают повышенной маневренностью...

Кинематическая модель космического манипуляционного робота

Работа посвящена разработке кинематической модели космического манипуляционного

Уравнения движения точек и графики изменения величин обобщенных скоростей строятся на

На рис. 4 и рис. 5 представлены траектории движения точек робота в инерциальной...

Обзор и перспективы развития мобильных шагающих...

Проведен обзор конструкций шагающих роботов.

Ключевые слова: мобильные роботы, шагающие роботы, система управления шагающего робота.

Эти особенности машины с шаговым движителем могут быть востребованы при создании сельскохозяйственных роботов.

Математическое моделирование движения плоского...

Предложен оригинальный алгоритм расчета и показаны результаты численного моделирования движения звеньев с учетом моментов

Математическое моделирование процесса удержания робота за счет сил трения под действием переменных внешних сил описано в работах [7–8].

Анализ нагрузок, действующих на элементы конструкции ГТД

Рис.1. Схема действующих газовых сил на воздухозаборник.

Сила, действующая на корпус компрессора, будет складываться из осевых сил и крутящих моментов, действующих на

Рис. 7. Некоторые результаты моделирования газовых сил, действующих на элементы проточной...

Оценка воздействия неравномерности крутящего момента...

В результате исследований модели получен комплект осциллограмм изменения крутящего момента на ведущем колесе на разных эксплуатационных режимах. Определены значения частот собственных колебаний масс силовой передачи.

Модель для исследования качества управления транспортным...

Приближенный метод расчета вектора скорости. Предлагаются так же различные

Для исключения перерегулирования необходимо вычислять и учитывать тормозной путь для текущей скорости

Остановить робот мгновенно и точно в заданной точке невозможно (что связано, в...

Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма

Рассмотрена задача кинематического анализа рычажного механизма. Определены возможности использования пакетов прикладных программ Mathcad и MSC ADAMS для кинематического исследования кривошипно-шатунного механизма.

Задать вопрос