Система передвижения колесного мобильного робота сверхлегкого класса

Одним из перспективных и необходимых направлений современной робототехники является создание наземных мобильных роботов (MP), предназначенных для предотвращения терактов, направленных на уничтожение гражданского населения и разрушение объектов человеческой деятельности [8, 44, 46, 49, 64, 73]. В состав подобных роботов входит манипуляционная система для работы с исследуемыми объектами, транспортная система, предназначенная для доставки манипуляционного оборудования к месту проведения операции, а также система управления MP, предназначенная для дистанционного управления его исполнительными узлами [9, 68, 72, 92, 94].

Доставка рабочего оборудования к месту проведения операции ведется в условиях неопределенности, когда заранее неизвестны маршруты движения MP и объекты, с которыми он может взаимодействовать в процессе движения. В связи с этим решающую роль в возможности проведения спецопераций начинают играть показатели проходимости MP (движение и маневрирование на поверхностях с различными покрытиями, преодоление подъемов, пороговых препятствий и т. п.), обеспечиваемые его системой передвижения [31, 45, 64, 68].

Различными аспектами создания и применения MP специального назначения занимаются ряд отечественных научных и производственных организаций, среди которых необходимо отметить НИИ СМ МГТУ им. Н. Э. Баумана, ЦНИИ РТК, РНЦ «Курчатовский институт», ГосИФТП, ВНИИТРАНСМАШ, СПбГТУ, ЦНИИ МО РФ, ЦСТ ФСБ России, АГЗ МЧС России, МИРЭА, ОАО «СКБ ПА» (г. Ковров) и др. Среди зарубежных предприятий, работающих в области мобильной робототехники специального назначения — фирмы REMOTEC, Foster-Miller, Cybermotion (США), Alvis Logistics, Lockheed Martin (Великобритания), Cybernetix, Giat Industries (Франция), Telerob (Германия) и др.

Несмотря на значительные успехи в развитии теории и практики построения роботов специального назначения, некоторые задачи, связанные с созданием MP сверхлегкого класса, решены не в полной мере. Анализ показывает, что актуальной в специальной робототехнике является проблема разработки и исследования системы передвижения колесного MP сверхлегкого класса (далее колесного MP) [11,18,47, 51, 70].

В первой главе приведен обзор MP специального назначения, проведен анализ области применения, характерных особенностей и существующих систем передвижения колесных MP.

Показано, что колесные MP — это дистанционно-управляемые машины, предназначенные для поиска и обезвреживания взрывных устройств (ВУ), размещенных в труднодоступных местах внутри или снаружи зданий и сооружений, под днищем или внутри транспортных средств, внутри урн и контейнеров, в местах оборудованных для массового отдыха людей и т. п. Характерные особенности роботов данного класса заключаются в малых массогабаритных характеристиках, возможности доставки к месту проведения операции любым видом автотранспорта, возможности погрузки, выгрузки или переноски одним оператором без применения вспомогательных устройств, колесный или комбинированный движитель системы передвижения.

В состав систем передвижения существующих образцов колесных MP, как правило, входят автономные источники энергии (электрические, топливные), электродвигатели (реже двигатели внутреннего сгорания), механические трансмиссии (реже электромеханические), распределительные устройства и движитель со всеми ведущими колесами. В этих системах крутящий момент от двигателей через редукторы передается одновременно на ряд колес движителя посредством наружных распределительных передач (ременных, цепных, зубчатых, роликовых). Основные недостатки подобных систем передвижения заключаются в низкой надежности распределительных передач, неудобстве их обслуживания в процессе эксплуатации, а также невозможности быстрой замены в случае выхода из строя.

В первой главе на основе анализа характерных особенностей среды функционирования колесного MP (в условиях городской инфраструктуры), сформированы требования, предъявляемые к его системе передвижения. Показано, что система передвижения должна обеспечивать возможность движения (со скоростью не менее 1 м/с) и разворота робота на твердых (асфальт, бетон, мрамор, паркет, линолеум) и рыхлых (грунт, песок, мелкий гравий, снег, трава) поверхностях, возможность движения робота на подъемах (с уклоном не менее 20°), преодоления пороговых препятствий (высотой не менее 100 мм) и канав (глубиной не менее 50 мм и шириной не менее 150 мм).

Выполненный обзор литературы по исследованиям в области проектирования и создания колесных MP, выявил отсутствие методов определения параметров приводов, тяговых, разгонных, скоростных и энергетических характеристик их систем передвижения, а также методов оценки их проходимости. Поэтому в первой главе приведен краткий обзор теоретических основ проектирования наземной транспортной техники и планетоходов применительно к задаче разработки системы передвижения колесного MP.

Вторая глава посвящена обоснованию взаимосвязей элементов системы передвижения колесного MP.

В соответствии с приведенной функционально-структурной схемой системы передвижения колесного MP, управляющие воздействия с бортовой системы управления движением поступают на исполнительные приводы, где преобразуются в силовые потоки, приводящие в движение колесный движитель. При этом структура системы передвижения может иметь либо вид двигатель — трансмиссия — распределительные устройства — движитель (при групповых приводах), либо вид двигатель — трансмиссия — движитель (при индивидуальных приводах). Питание приводов системы передвижения осуществляется от бортового источника энергии в виде подзаряжаемых аккумуляторных батарей.

При разработке компоновочной схемы системы передвижения, определяющей взаимосвязи ее элементов, учитывались возможные варианты ее колесной формулы, способы размещения приводов, а также наличие или отсутствие распределительных устройств.

Для выбранной колесной формулы 6×6, были разработаны два варианта компоновочных схем системы передвижения: на базе групповых приводов и на базе мотор-колес.

Система передвижения колесного MP на базе групповых приводов основана на известных схемах передачи крутящего момента от двигателей через редукторы и распределительные передачи на ряд колес движителя. Отличие заключается в том, что распределительные передачи располагаются внутри корпуса транспортного средства, для исключения их повреждения или обрыва в процессе движения колесного MP по поверхности.

Альтернативный вариант построения системы передвижения колесного MP основан на применении индивидуальных приводов. В этом случае каждое колесо движителя приводится от отдельного привода, который располагается в ступице колеса (так называемое мотор-колесо). В этом случае компоновочная схема системы передвижения формируется установкой требуемого числа мотор-колес вдоль бортов транспортного средства робота.

Во второй главе также обосновывается метод определения параметров приводов системы передвижения колесного MP. Суть метода заключается в последовательной реализации действий, необходимых для определения параметров приводов системы передвижения, а именно: обосновании рассматриваемых случаев взаимодействия колесного MP с поверхностью, классификации нагрузок по характеру движения колесного MP, классификации нагрузок по применению, выбора зависимостей для определения величины и длительности действия нагрузок, определения нагрузок, выбора зависимостей и методов для определения параметров и проверки работоспособности приводов системы передвижения, определения искомых параметров.

В третьей главе обосновывается метод определения тяговых, разгонных, скоростных и энергетических характеристик системы передвижения колесного MP и оценки его проходимости, определяются области применения предложенных вариантов построения системы передвижения колесного MP.

С целью исключения материальных и временных затрат, связанных с изготовлением, испытанием и доработкой экспериментальных образцов колесных MP, предложено определять характеристики их систем передвижения и оценивать их проходимость путем установления взаимосвязи между параметрами системы передвижения (параметрами приводов, движителя), параметрами колесного MP (веса, габаритных размеров, местоположения манипуляционного оборудования и т. п.), характером взаимодействия колесного MP с поверхностью (линейных и угловых ускорений, скоростей и перемещений), а также характеристиками поверхности (свойствами грунтов, формой препятствий и т. п.). Для этого системы уравнений, описывающих взаимодействие колесного MP с поверхностью, связываются с уравнением движения /-го привода системы передвижения, и на их основе разрабатывается компьютерная модель в среде McitLcib 6.1, Simulink. По результатам моделирования определяются тяговые, разгонные, скоростные и энергетические характеристики системы передвижения, а также проводится оценка проходимости колесного MP.

Определение характеристик предложенных вариантов построения системы передвижения колесного MP (на базе групповых приводов и мотор-колес) и оценка его проходимости проводились для случаев его движения на горизонтальной поверхности и подъеме, бортового разворота на горизонтальной поверхности, преодоления пороговых препятствий (высотой меньшей или равной радиуса колес, высотой выше радиуса колес).

На основании сравнительного анализа полученных результатов моделирования, был сделан вывод об областях применения предложенных вариантов построения системы передвижения колесного MP. Показано, что построение системы передвижения на базе групповых приводов целесообразно при преимущественном функционировании колесного MP внутри зданий и сооружений, а также на прилегающих к ним территориях, характеризуемых твердыми поверхностями, небольшими углами подъемов и невысокими пороговыми препятствиями. При функционировании колесного MP в условиях слабопересеченной местности, характеризуемой рыхлыми поверхностями, существенными перепадами профиля поверхности и насыщенностью различного рода выступающими препятствиями, предпочтительнее построение его системы передвижения на базе мотор-колес.

В четвертой главе подтверждается корректность предложенных методов определения параметров приводов и характеристик системы передвижения колесного MP, а также оценки его проходимости, справедливость вывода об областях применения альтернативных вариантов построения системы передвижения, разрабатывается методика проектирования системы передвижения колесного MP.

В состав экспериментального комплекса вошли колесный MP с системой передвижения на базе мотор-колес, автоматизированный стенд для испытаний колесных MP, измерительный модуль Е14−440 фирмы L-card (Россия), ноутбук Asus A3500L.

Экспериментальные исследования образца колесного MP проводились в соответствии с разработанной методикой, определявшей исследуемые показатели (характеристики), правила проведения испытаний, их объем и последовательность. При проведении испытаний определялась максимальная величина момента сопротивления движению робота преодолеваемого мотор-колесами, оценивалась его проходимость (при движении на твердых и рыхлых поверхностях, движении на подъемах, преодолении пороговых препятствий), измерялось энергопотребление мотор-колес, определялись развиваемые тяговые моменты мотор-колес при движении и маневрировании робота, а также длительность его разгона и максимальная скорость движения на твердых поверхностях.

Проведенные исследования показали, что расхождение между теоретически и экспериментально определенными характеристиками системы передвижения на базе мотор-колес, а также показателями проходимости колесного MP не превышает 15%.

В четвертой главе также разработана методика проектирования системы передвижения колесного MP. В методике, на основании анализа среды функционирования колесного MP, формируются требования предъявляемые к системе передвижения, выбирается вариант ее построения и определяются ее параметры, при которых обеспечиваются требуемые показатели проходимости колесного MP.

Выводы по главе.

Проведенные экспериментальные исследования системы передвижения колесного MP подтвердили:

1. Корректность метода определения параметров приводов системы передвижения колесного MP.

2. Корректность метода определения тяговых, разгонных, скоростных и энергетических характеристик системы передвижения колесного MP и оценки его проходимости.

3. Работоспособность компоновочных схем системы передвижения колесного MP на базе групповых приводов и мотор-колес.

4. Справедливость вывода об областях применения альтернативных вариантов построения системы передвижения колесного MP на базе групповых приводов и мотор-колес.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе были получены следующие основные научные и практические результаты:

1. На основе взаимосвязей элементов системы передвижения колесного MP, рассмотренных в диссертационной работе, разработаны варианты ее построения на базе групповых приводов и мотор-колес, обеспечивающие высокую проходимость колесного MP в соответствующих областях его применения.

2. Обоснован метод определения параметров приводов системы передвижения колесного MP.

3. Обоснован метод определения тяговых, разгонных, скоростных и энергетических характеристик системы передвижения колесного MP и оценки его проходимости.

4. Обоснованы области применения альтернативных вариантов построения системы передвижения колесного MP на базе групповых приводов и на базе мотор-колес.

5. Разработана методика проектирования системы передвижения колесного MP.

6. Определены параметры приводов и получены сравнительные тяговые, разгонные, скоростные и энергетические характеристики альтернативных вариантов построения системы передвижения колесного MP.

7. На основе экспериментальных испытаний одного из вариантов построения системы передвижения колесного MP подтверждены теоретические исследования, проведенные в диссертационной работе.

8. Методика проектирования системы передвижения колесного MP внедрена в процесс разработки мобильных роботов специального назначения в ОАО «СКБ ПА» (г. Ковров).

9. Результаты диссертационной работы использованы при разработке систем передвижения колесных MP в ОАО «СКБ ПА» в рамках научноисследовательской работы «Всплеск», опытно — конструкторских работ «Вездеход-ТМЗ», «Вездеход-Плюс», «Вездеход-ТМ5».