Кафедра 'Теоретическая механика'

Русская версия О кафедре Наука Содержание
English version Студентам Сотрудники

Отчётные материалы по проекту РФФИ № 09-08-97016

Разработка многоцелевых шагающих транспортно-технологических систем

Коды классификатора 08-107 01-436

Цели проекта на 2010 год

Проект направлен на решение задач, связанных с разработкой мобильных шагающих транспортно-технологических систем, обладающих повышенной проходимостью и манёвренностью, пониженным отрицательным воздействием на окружающую среду (почвенный покров), низким энергопотреблением, возможностью работать в автономном или полуавтономном режиме. В качестве движителей используются шагающие модули, которые могут быть собраны в различной конфигурации в зависимости от используемого технологического оборудования и функций, выполняемых транспортно-технологической системой.

Предусмотрено разработать и экспериментально проверить алгоритмы автономного перемещения шагающих модулей по пересечённой местности.

Запланировано провести синтез системы управления группой шагающих модулей, что позволит использовать их для выполнения единой технологической операции.

Намечено разработать методы повышения опорной и профильной проходимости, основанные на повышении тягово-сцепных свойств и изменении конфигурации механизмов шагания.

Степень выполнения поставленных в проекте задач

Получены и экспериментально проверены методы автономного перемещения шагающих модулей по пересечённой местности, основанные на алгоритмах навигации и управления.

Предложена структура модульного транспортно-технологического комплекса. Разработана и исследована математическая модель динамики движения нескольких модулей с шагающими движителями. Разработаны алгоритмы согласованного управления шагающими модулями.

Разработаны методы повышения опорной и профильной проходимости, основанные на повышении тягово-сцепных свойств и изменении конфигурации механизмов шагания.

Полученные за отчетный период важнейшие результаты

Разработаны алгоритмы управления движением шагающей машины. Проведены экспериментальные и теоретические исследования предложенных алгоритмов управления движением машины. Показано, что алгоритмы позволяют осуществлять движение по программной траектории с использованием бортовой видеосистемы и контролировать положение машины в режиме реального времени. При этом в процессе передвижения машины постоянно контролируется положение ориентира (препятствия) и проводится корректировка движения.

Предложена структура модульного комплекса, позволяющая исследовать большой класс транспортно-технологических машин.

Разработана математическая модель динамики движения транспортного комплекса, состоящего из моногруза, вывешенного на N модулях, позволяет провести исследование динамических эффектов и методов управления группой машин. Предложена структурная схема подвески, позволяющая моделировать широкий класс реальных типов подвесок. Разработаны методы согласованного управления движением группы шагающих машин, обеспечивающие транспортировку моногруза по заданной траектории с обеспечением равнонагружености элементов подвесок.

Предложен метод изменения конфигурации механизмов шагания, обеспечивающий повышение тягово-сцепных свойств без применения грунтозацепов, а также шагающей машине преодолевать препятствия, высота которых значительно превышает величину подъема опорной пяты над поверхностью.

Показано, что разрабатываемые в ВолгГТУ шагающие машины, несмотря на достаточно простые движители и систему управления, в состоянии обеспечить режимы движения, характерные для машин профильной проходимости с движителями с тремя и более управляемыми степенями подвижности. Причем в маршевых режимах, при движении по сравнительно ровной поверхности без ограничений на место постановки стоп движение осуществляется с применением только двух приводов курсового движения.

Степень новизны полученных результатов

В качестве движителей агротехнических и транспортно-технологических систем используются обладающие повышенной проходимостью и манёвренностью, пониженным отрицательным воздействием на окружающую среду (почвенный покров), низким энергопотреблением, возможностью работать в автономном или полуавтономном режиме используются состоящие из механизмов шагания модули. Шагающие модули могут быть собраны в различной конфигурации в зависимости от используемого технологического оборудования и функций, выполняемых системой.

При автономном перемещения шагающих модулей по пересечённой местности новизна подхода состоит в использовании движителей курсового движения для обеспечения требуемого положения корпуса машины как во время курсового движения, так и при выполнении маневрирования в ограниченном пространстве. В существующих зарубежных и отечественных аналогах эти задачи решаются увеличением числа управляемых двигателей, что приводит к усложнению и снижению надёжности конструкций.

Рассмотрена модель перемещения моногруза с помощью нескольких транспортных модулей. Предложенная схема подвески позволяет моделировать широкий класс различных типов подвесок. Для управления группой шагающих модулей при выполнения единой технологической операции решается задача обеспечения согласованности программного движения всех модулей входящих в состав группы. Предложенный метод расчета может быть базовым как для простейших шагающих машин, так и для сложных робототехнических систем.

Методы повышения опорной и профильной проходимости, основанные на повышении тягово-сцепных свойств и изменении конфигурации механизмов шагания. Новизна предлагаемых методов заключается в том, что тяговые свойства повышаются не за счёт использования грунтозацепов (как это делается традиционно), а за счёт изменения распределения нормальных и касательных нагрузок. Повышение профильной проходимости осуществляется не введением активной адаптации, а управляемой пассивной адаптацией.

Степень новизны полученных результатов обсуждалась на 13-ой международной конференции CLAWAR — 2010 (Нагоя, Япония, 2010), международной конференции IEEE по мехатронике и автоматизации (Чаньчунь, Китай, 2009), 20-ая (Дивноморское, Россия, 2009) и 21-ая (Москва, Россия, 2010) международные конференции Экстремальная робототехника, международная конференция Прогресс транспортных средств и систем (Волгоград, Россия, 2009), 6-ая (Дивноморское, Россия, 2009) и 7-ая (Санкт Петербург, Россия, 2010), международные конференции «Мехатроника, автоматизация, управление», международный семинар «Робототехника. Взгляд в будущее» (Санкт Петербург, Россия, 2010).

Новизна полученных результатов подтверждается полученным в процессе выполнения проекта патентом:

П. м. 93066 РФ, МПК B 62 D 57/032. Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости / В.П. Мишта, А.Е. Гаврилов, Н.Е. Фролова, Е.С. Брискин; ГОУ ВПО ВолгГТУ. — 2010.

Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем

При движении в сложных условиях машины с шагающими движителями могут быть более эффективными в сравнении с традиционными колесными и гусеничными транспортными средствами. По этой причине разработки шагающих машин ведутся во всех развитых странах мира.

В области теории движения и управления мобильными роботами и шагающими машинами Россия, благодаря работам И.И.Артоболевского, В.В.Белецкого, А.П.Бессонова, Ю.В.Болотина, Ю.Ф.Голубева, В.Г.Градетского, В.С.Гурфинкеля, Е.А.Девянина, С.Л.Зенкевича, М.Б.Игнатьева, И.А.Каляева, А.Л.Кемурджиана, В.Б.Ларина, В.В.Лапшина, И.М.Макарова, М.И.Маленкова, Д.Е.Охоцимского, В.Е.Павловского, А.К.Платонова, А.Я.Погребняка, Н.В.Умнова, А.М.Формальского, Ф.Л.Черноусько и др. занимает одно из ведущих мест в мире. За рубежом наиболее хорошо известны работы М.Г.Беккера, К.Дж.Валдрона, Р.Б.Маги, (США), М.Вукобратовича (Югославия), И.Като, С.Хироси, И.Шимоямы (Япония), У.Мосси, (Италия), К.Бернса (Германия) и др.

Проверка теоретических положений, как в России, так и за рубежом, осуществляется, как правило, на лабораторных макетах. Известно лишь несколько полномасштабных образцов (массой более 1 тонны) пригодных для реальных транспортно-технологических операций. Это разработанные в США шагающие машины «Ambler» и «ASV», предназначенная для передвижения по пересеченной местности. В Финляндии для лесного хозяйства разработана шагающая машина «Plustech», снабженная грузовым манипулятором. Известно еще 2-3 машины аналогичной весовой категории. Механизмы шагания указанных машин — это механические системы, управляемые бортовой ЭВМ, с тремя и более управляемыми степенями свободы, позволяющие стопе перемещаться требуемым образом в пространстве. Ноги имеют следящие гидроприводы по каждой из степеней свободы. Большое число следящих гидроприводов обуславливают высокую стоимость (например, стоимость разработки Ambler и ASV составила 8 млн. $ и 5 млн. $, соответственно) машин данного типа, небольшой ресурс и сравнительно низкую их надежность.

Проект направлен на создание сравнительно недорогих робототехнических систем пригодных для массового использования. В рамках проекта исследуется шагающие мобильные роботы с работающими в противофазе простыми и надежными спаренными цикловыми механизмами шагания, вследствие чего один из них всегда находится в фазе опоры на грунт. Это позволяет не заботиться о сохранении походки и устойчивости, и исключает необходимость управляемой системы адаптации. В итоге машина имеет минимальное число управляемых степеней свободы и становится, при тех же характеристиках, существенно проще и на порядок дешевле зарубежных аналогов. Такие машины, в зависимости от комплектации технологическим оборудованием, могут эффективно использоваться для: аварийно-спасательных работ в экстремальных условиях, при внедрении новых почвосберегающих технологий в лесном и сельском хозяйстве; технологических операций в нефте- и газодобывающих отраслях (в условиях тундры леса и др. сложных условиях). Результаты проекта позволяют более полно реализовать потенциальные возможности по проходимости и маневренности шагающих машин с цикловыми движителями.

[ВолгГТУ] [О кафедре] [Home]

Разработчик сайта Александр Малолетов
Контактный телефон/факс (8442) 34-29-28
Дата последнего обновления 18 декабря 2003 г.