Актуальность темы
.
В настоящее время российские и иностранные разработчики уделяют большое внимание исследованию аппаратов с повышенной проходимостью. Во всем мире в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, для исследования космоса, мирового океана и других труднодоступных областей ведутся разработки подобных аппаратов для реализации задач, с которыми не справляются существующие мобильные экипажи [1]. Существует два основных требования к таким аппаратам: с одной стороны крайне важно двигаться по поверхности с большой скоростью, с другой — аппарат не должен испытывать существенных перегрузок и ударов. Для того, чтобы аппарат надежно управлялся, необходим устойчивый и непрерывный контакт с поверхностью. Аппарат должен быть пригоден для транспортировки. Кроме того, аппарат (с характерными размерами порядка метра) должен преодолевать препятствия размеров, сравнимых с собственной высотой, и различной формы. Для увеличения быстродействия система управления должна принимать решения об изменении курса или способа перемещения во время движения в реальном времени.
Отмеченные факторы делают актуальной цель работы — создание и исследование системы управления и динамических моделей автономного адаптивного и маневренного многоколесного аппарата высотой порядка полуметра, способного быстро перемещаться по неподготовленной поверхности и преодолевать препятствия с размерами, сравнимыми с собственными.
Отметим, что задача построения аппаратов, в том числе автоматических, перемещающихся по неровной сплошной поверхности, в настоящее время остается крайне актуальной. Создание роботов, перемещающихся по бездорожью или по поверхности со значительными препятствиями, важно как для наземной робототехники при работе в условиях отсутствия дорог или, например, при исследовании вулканов, так и для космических планетных задач, типа новых задач создания транспортных роботов Лунной.
Базы [2].
Задача эта имеет несколько аспектов: I — это задача перемещения по местности со значительными препятствиями. Ей зарубежные и российские (рис. 1) разработчики уделяют большое внимание как исследованию аппаратов с повышенной проходимостью. В статье [3] приведена одна из возможных классификаций этих аппаратов, она дана в табл. 1.
Таблица 1. Классификация аппаратов с повышенной проходимостью.
Назначение Способ управления Конструктивные особенности (по тину движителя).
НаучноУправляемые водителем, Колесныеисследовательские — находящимся на борту;
РазведывательныеУправляемые оператором Гусеничныедистанционно;
Аварийно-спасательныеУправляемые дистанГусенично-модульныеционно стационарной.
ЭВМ;
Аварийно-ремонтныеУправляемые бортовой Шагающие;
ЭВМ.
ГрузовыеКолесно-шагающие;
ПассажирскиеПрыгающие.
Землеройные;
Дорожно-строительные;
Строительно-монтажные.
Для передвижения по сложной неровной поверхности могут применяться и иные решения. Один из современных примеров — аппарат с «ломающимся» корпусом, разработанный французской компанией «ЛоЬозой» (рис. 2). Модель рассчитана в большей степени на преодоление сложных неровностей, чем на развитие высокой скорости, у аппарата также отсутствует подвеска.
В качестве других примеров можно привести американский аппарат ЬапёЭЬагк и отечественный мобильный робот легкого класса ТМ-3, раз.
Рис. 2. Аппарат гоЬиЯОС-б работанный в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Отметим, что все эти аппараты предназначены для движения по пересеченной местности со средними скоростями.
II — это задача разработки аппаратов и роботов, способных перемещаться по неровной поверхности со скоростями, сравнимыми со скоростями движения по обычным дорогам. Здесь весьма важным элементом для колесных роботов становится подвеска колес аппарата. Ниже даны их ти.
Типы подвесок.
1. По способу соединения с корпусом (рамой) машины:
• Жесткие;
• Полужесткие (тракторные);
• Мягкие (эластичные и упругие).
2. По связи колес с упругими элементами:
• С продольными рычагами (маятниковая);
• С поперечными рычагами: многорычажная двухрычажная о однорычажная (типа «Макферсон» на рулевой оси, типа «Чепмен» на задней оси);
• Телескопическая.
3. По способу соединения колес между собой:
• Независимая (индивидуальная);
• Блокированная (зависимая);
• Смешанная.
4. По типу упругого элемента:
• Пневматическая;
• Пружинная;
• С листовой рессорой;
• Торсионная.
5. По управляемости:
• Активная (управляемая);
• Полуактивная (управляется только дорожный просвет);
• Пассивная (неуправляемая).
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Объект исследования.
Основными объектами исследования являются: прототип аппарата, его компьютерные модели, а также вспомогательные и упрощенные субмодели.
Предмет исследования.
Исследуется механика, динамика движения и синтез управления многоколесного мобильного робота с пассивной и активной подвеской.
Цель работы и Задачи.
Цель состоит в разработке модели прототипа автономного шестиколес-ного аппарата (робота), способного преодолевать большие препятствия и передвигаться по поверхности с макрои микронеровностями со скоростью, большей по сравнению с существующими мобильными роверами (оцениваемой в 12 км/ч).
Задачи заключаются в выявлении закономерностей движения, анализе динамических особенностей, определении конструктивных параметров и синтезе рациональной системы управления. Выделяются следующие подзадачи:
1. Определение характеристик комфортабельности движения и нахождение их зависимости от геометрических и массово-инерционных параметров шасси для проектирования последнего «под задачу».
2. Формулировка рекомендаций по выбору параметров подвески и геометрических, массово-инерционных характеристик аппарата.
3. Построение алгоритмов распознавания препятствия и синтеза управления аппаратом с активной подвеской.
Методы исследования.
Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической механики, теории робототехнических систем, вычислительной математики и систем управления, компьютерного моделирования и распознавания образов.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту.
Разработана концепция нового типа активной подвески, которая может быть успешно использована в качестве пассивной или полуактивной для малогабаритных мобильных роботов. Разработана модель и исследован прототип легкого маневренного аппарата, решающего поставленные задачи. Для него синтезировано управление для преодоления препятствий размеров, сравнимых с размерами аппарата, и приведена методика оптимизации параметров подвески. Разработан обучающий алгоритм для преодоления препятствий. Предложена система управления, принимающая решения в реальном времени.
Достоверность результатов.
Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены экспериментальными данными и соответствуют теоретическим оценкам.
Практическая ценность.
В работе предложена методика построения шасси быстроходных, маневренных аппаратов, способных также преодолевать препятствия размеров, сравнимых с размерами аппарата. Данная методика может быть использована на широком круге мобильных устройств. Система распознавания препятствий и синтеза управления может быть применена в разных отраслях робототехники.
Апробация диссертации.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях: Aliseychik А.P., Orlov I.A. Mecanum-Wheel Mathematical Model / III Российско-тайваньский симпозиум «Современные проблемы интеллектуальной мехатроники, механики и управления» 2012.
Алисейчик А.П., Павловский В. Е. Исследование динамики движения мобильного робота с меканум-колесами. / Тр. Международной молодежной научно-практической конференции «Мобильные роботы и мехатрон-ные системы», НИИ механики МГУ, 03−05.10.2011. М.: Изд. МГУ. с. 23−26.
Результаты докладывались на семинарах кафедры теоретической механики и мехатроники МГУ им. М. В. Ломоносова и семинарах Института прикладной математике им. М. В. Келдыша РАН.
Публикации.
Основные результаты диссертации изложены в рецензируемом научном журнале «Проблемы управления».
Алисейчик А.П., Павловский В. Е. Модель и динамические оценки управляемости и комфортабельности движения многоколесного мобильного робота / Проблемы управления. 2013. № 1. С. 70−78.
Алисейчик А.П., Павловский В. Е. Методика исследования динамической комфортабельности движения многоколесного мобильного робота / Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша. 2010. № 84. 27 с.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.
Предложена методика исследования комфортабельности движения ше-стиколесного робота с пассивной независимой подвеской. Разработаны алгоритмы управления роботом с пассивной и активной подвеской. Создана система распознавания препятствий и синтеза алгоритма управления, устанавливаемая на борт робота. Для аппаратов с пассивной и активной подвеской построены модели, минимизирущие время проведения каждого эксперимента, что крайне важно для машинного обучения.
1. Разработана модель блока управления, допускающая движение без бокового проскальзывания по ровной поверхности. При этом используется наиболее сложная модель трения, при которой боковое проскальзывание возможно на неровной поверхности, так как при его отсутствии не действует двухрычажная подвеска. Разработаны методы компьютерного моделирования меканум-колес. Для аппарата с активной подвеской в случае использования меканум-колес синтезирована система курсового управления, для аппарата с пассивными колесами разработан алфавит элементарных движений. Алфавит проверен и отработан на модели.
2. Для классической двухрычажной пассивной подвески и активной пневматической подвески, используемой в пассивном или полуактивном режиме, найдены зависимости от параметров подвески (жесткости и диссипации в случае двухрычажной подвески и давления и расхода газа в случае пневматической) таких характеристик комфортабельности движения как:
• среднеквадратичное отклонение и максимум вертикального ускорения заданной точки корпуса.
• интеграл вертикального ускорения заданной точки корпуса и интеграл вертикального ускорения при превышении им заданной величины.
По полученным данным, изображенным на диаграммах, системой робота с полуактивной подвеской могут выбираться параметры подвески экипажа, позволяющие минимизировать приведенные функционалы вертикального ускорения, что обеспечит движение в комфортабельном режиме. Показано, что, для аппарата легкого класса (до 100 кг) при выборе параметров подвески согласно приведенной методике возможно более чем в два раза уменьшить значение приведенных функционалов комфортабельности. Уменьшение считается по сравнению со средним значением по области параметров, при которых возможно выполнение траектории.
3. Разработана модель прототипа колесно-шагающего аппарата с активной подвеской и система преодоления препятствий, самостоятельно принимающая решение о способе движения и преодоления препятствий. Система способна принимать решения для разных классов препятствий в реальном времени, исследована на модели и может быть установлена на робота.
В экспериментах показано, что на бортовом компьютере робота (с частотой 800 МГц) система способна принимать решения более 30 раз в секунду, что сравнимо с частотой поступления новой информации о местности с видеокамер. Даже при сокращении количества экспериментов обучения в 10 раз, вероятность преодоления случайного препятствия более чем в 4 раза (от 0,11 до 0,54) превышает вероятность его преодоления без обучения.
Автор выражает искреннюю благодарность коллективу разработчиков программного комплекса «Универсальный механизм» [10] за предоставленные дистрибутивы и техническую поддержку.
Заключение
.
Построена модель «многоколесный аппарат — блок управления — колесо — дорога», минимизирующая время проведения численных экспериментов. Время, затрачиваемое на проведение каждого эксперимента, необходимо сокращать, так как для машинного обучения прототипа при помощи модели требуется значительное количество компьютерных экспериментов. В модели для двухрычажной подвески разработаны методические приемы, позволяющие оптимизировать процессы интегрирования. Разработана модель блока управления, допускающая движение без бокового проскальзывания по ровной поверхности. При этом используется наиболее сложная модель трения, при которой боковое проскальзывание возможно на неровной поверхности, так как при его отсутствии не действует двухрычажная подвеска.
Для быстроходного робота найдена зависимость характеристик динамической комфортабельности движения от параметров подвески и указана область, из которой следует выбирать коэффициенты жесткости и диссипации подвески. Показаны зависимости таких характеристик комфортабельности движения как Rms ~ среднеквадратичного отклонения вертикального ускорения, 1 и ?2 — интегралов модуля вертикального ускорения, Wmax — максимума модуля вертикального ускорения — от скорости, массы, коэффициента жесткости пружины подвески и коэффициента диссипации демпфера подвески. По полученным диаграммам можно выбирать динамические параметры экипажа, позволяющие минимизировать функционалы вертикального ускорения, что обеспечит динамическую комфортабельность движения в вышеуказанном смысле. В работе сформулированы рекомендации по выбору некоторых геометрических характеристик аппарата. Указаны области приемлемых параметров подвески. Например, для робота массой 75 кг и длиной 95 см (это характерные размеры современных исследовательских роботов) если максимум ускорения не должен превышать 24 м/с2, оптимальными коэффициентами подвески будут: коэффициент жесткости — 8−104 кг/с2, коэффициент диссипации — 150 кг/с. Показано, что в целом зависимость функционалов качества подвески от скорости близка к квадратичной и может быть ею аппроксимирована. Найдена область параметров (рис. 38), в которой отклонение J (и) желаемой (заданной) траектории от действительной минимально. В целом эксперименты с созданной методикой моделирования показывают, что предлагаемая модель может быть эффективно использована для определения оптимальных значений параметров быстроходного робота в зависимости от функционала качества. По наиболее важному в конкретной задаче функционалу на соответствующей диаграмме выбирается область целесообразных значений характеристик подвески для реализации динамически комфортабельного движения.
Разработана компьютерная модель меканум-колеса, написан препроцессор для создания модели в «Универсальном механизме». Смоделировано движение как одного колеса, так и многоколесных аппаратов. Построены алгоритмы управления для многоколесного ровера на меканум-колесах. Разработан и спроектирован шестиколесный колесно-шагающий аппарат. Аппарат смоделирован, и исследуется его компьютерная модель. Изготовлен первый прототип аппарата. Произведена оптимизация геометрических и массово-инерционных параметров аппарата. Построено управление и исследовано движение по поверхностям разного типа с пассивной подвеской. Найдены параметры, при которых пневматическая подвеска хорошо приближает пружинную двухрычажную. Построено силовое управление активной подвеской для преодоления разных типов препятствий. Построена система распознавания препятствий и принятия решения о выборе типа движения.
Разработан следующий алгоритм преодоления препятствий для модели колесно-шагающего аппарата:
Модельная часть:
• Синтез т походок.
• Генерация препятствий (80% преодолимых, 20% — непреодолимых).
• Проведение тп2Ы компьютерных экспериментов (к — количество кластеров, г —итераций).
• Составление обучающего файла (примеры успехов преодоления).
• Добавление непреодоленных в обучающий файл.
• Обучение (первый шаг ЕМ-алгоритма).
• Передача результатов обучения и списка неудач на робота Система на роботе.
• Распознавание препятствия (определение п параметров).
• Принятие решения (выбор типа походки — второй шаг ЕМ).
• Проверка и корректировка решения.
• Запись результатов преодоления препятствия для самообучения.
Рис. 63. Схема системы преодоления препятствий.
Разработанный алгоритм управления (рис. 63) состоит из двух частей. Первый этап происходит заблаговременно на нескольких компьютерах и требует нескольких недель. Сначала синтезируются походки и строится сетка экспериментов. Походки ранжируются, на данном этапе — по количеству затраченной энергии. После проведения моделирования составляется файл, подаваемый в обучающую программу. На данном этапе обучение происходит в программе, написанной на С++ с использованием библиотеки ОреиСУ, в которой присутствует реализация ЕМ.
Используется Ехре^а^оп-тах1гшга1поп-алгоритм на модели Гауссовых смесей. По обучающей выборке строится гипотеза о плотности распределения случайной величины. Случайная величина — принадлежность объекта классу препятствий, преодолеваемых данной походкой. Этот алгоритм по обучающей выборке строит гипотезу о плотности и сохраняет описание функции плотности в виде набора матриц размера 5×5. Эти матрицы в дальнейшем понимаются как матрицы квадратичных форм. Мы используем 10 матриц на 1 класс. На обучение требуется несколько минут. Эти матрицы передаются на встраиваемую систему робота. При распознавании вычисляются все квадратичные формы для вектора, описывающего препятствие. Получаются вероятности того, что препятствие относится к данному классу. Результаты сравниваются, и принимается решение. Первая часть ЕМ-алгоритма также установлена на борту робота, и в свободное время там может производиться самостоятельное переобучение. Алгоритм принятия решения подключен к «Универсальному Механизму»: если во время моделирования не указан номер походки, то модель принимает решение самостоятельно. Этот алгоритм также может быть использован для машинного обучения других типов мобильных роботов. Построен алфавит элементарных движений робота для перемещения по поверхности с препятствиями.
