О кафедре Наука Содержание Студентам Сотрудники

15-41-02451 р_поволжье-а

Разработка методов управления движением подводного шагающего робота в условиях неполного и неоднозначного представления о текущей ситуации

(проект РФФИ № 15-41-02451 р_поволжье-а, руководитель В.В. Чернышев)

Отчёт 2015 года

Отчёт 2016 года

Цель проекта — разработка методов управления движением подводных шагающих роботов в условиях неполного и неоднозначного представления о текущей ситуации. В рамках Проекта рассматриваются многоногие шагающие роботы с цикловыми движителями, построенными на базе механизмов шагания с одной управляемой степенью свободы. Такой движитель состоит из двух (или более) механизмов шагания, циклового типа, кинематически связанных и работающих в противофазе. В результате в любой момент времени хотя бы один из механизмов шагания движителя находится в опоре на грунт. Использование цикловых движителей позволяет не заботиться о сохранении походки и устойчивости и исключает необходимость управляемой системы адаптации. В результате машины имеют минимальное число управляемых степеней свободы и становятся существенно надежнее, проще и на порядок дешевле аналогов с адаптивным управлением. Например, шагающие движители подводного робота МАК-1 (рис. 1) имеют всего лишь 2 управляемые степени свободы. Конечности робота Crabster CR200 (Южная Корея), для сравнения, насчитывают более 30 управляемых приводов.

Рисунок 1 — Подводный шагающий аппарат МАК-1 (ВолгГТУ, Россия)

В ходе выполнения Проекта проведено построение математической модели подводного шагающего робота как объекта управления. Разработана обобщенная динамическая модель робота в виде системы твердых тел — корпуса и цикловых механизмов шагания, побортно объединенных в шагающие движители, периодически взаимодействующих с вязкоупругой средой. На базе обобщенной модели получены упрощенные математические модели для решения частных задач и проведено моделирование динамики шагающего аппарата в маршевых режимах движения, при маневрировании и преодолении локальных препятствий, а также исследована динамика статически неустойчивых режимов движения. Осуществлена разработка системы нечеткого управления поведением шагающего робота. Проведена формализация задачи управления в условиях неполного и неоднозначного представления о текущей ситуации. Разработана база правил, основанных на использовании нечеткого представления информации и нечеткой логики, определяющих стратегию управления шагающим роботом при преодолении локальных препятствий с заранее не определенными параметрами. Осуществлен интерактивный анализ поведения системы управления шагающего аппарата в типовых ситуациях при помощи программной модели объекта управления. Проведена адаптация системы управления робота к реальным условиям речного дна. Для экспериментальной отработки на опытном образце подводного шагающего робота МАК-1 реализованы элементы системы нечеткого управления.

Проведена экспериментальная проверка результатов математического моделирования на базе подводного аппарата МАК-1 в условиях водных объектов Волго-Ахтубинской поймы (рис. 2). При испытаниях проверялась работоспособность систем подводного робота и изучалось влияние его конструктивных особенностей на управляемость, маневренность, тяговые свойства и проходимость. Определенное внимание уделено настройке системы нечеткого управления шагающего робота в режиме обучения. Испытания подтвердили превосходство шагающих машин по тягово-сцепным свойствам и проходимости в сравнении с традиционными транспортными средствами. Отмечены некоторые особенности динамики шагающего робота, обусловленные подводными условиями. Совместный анализ полученных теоретических и экспериментальных результатов позволил предложить ряд новых технических решений, направленных на улучшение динамических свойств, маневренности и управляемости донных шагающих роботов.

Рисунок 2 — Испытания подводного шагающего аппарата МАК-1:
управление с лодки (а), движение под водой (б), преодоление препятствий в режиме обучения (в), исследование характеристик дна с бортовых видеокамер подводного аппарата (г)

Результаты Проекта могут быть востребованы при разработке подводных шагающих машин и роботов предназначенных для мониторинга состояния подводной среды, подводно-технических работ, новых промышленных технологий освоения ресурсов морского дна, обеспечения антитеррористической и техногенной безопасности объектов подводной инфраструктуры и др. работ. В Волгоградской области подводные шагающие аппараты могут найти применение при решении проблем обеспечения экологической безопасности и рационального природопользования уникального природного объекта — Волго-Ахтубинской поймы. В частности, их можно использовать для определения параметров дна проток и ериков, определяющих силу гидравлического трения (рельеф дна, тип донного грунта, свойства подстилающей поверхности, придонное течение и т.п.), которые являются базовыми при решении оптимизационной задачи управления паводковым гидрологическим режимом для эколого-экономической системы «Волжская ГЭС — Волго-Ахтубинская пойма».