Реконфигурируемый стенд для комплексных испытаний функциональных характеристик наземных мобильных роботов сверхлёгкого и лёгкого классов

Полезная модель относится к робототехнике, а именно к испытательным стендам, предназначенным для проведения комплексных испытаний наземных мобильных роботов (малогабаритных робототехнических платформ) сверхлегкого (массой до 100 кг) и легкого классов (массой до 1000 кг).
Известны стенды для испытаний транспортных средств в транспортном машиностроении, предназначенные для испытаний элементов ходовой части, например, «Стенд для силовых испытаний колесного транспортного средства» [патент RU 2498261 C1], который нагружает транспортное средство постоянными моментами и вибрацией для испытания на прочность и долговечность силовых узлов.
Известен «Напольный малогабаритный стенд для исследования подвесок автомобилей» [Патент RU 2629636 С1], который имитирует неровности дороги для моделирования работы шины и подвески.
Данные стенды являются установками для проведения испытаний в условиях близких к реальным, но их недостатком является то, что каждый такой стенд узкоспециализирован и испытывает только одну или небольшой набор характеристик без комплексного подхода и не учитывает влияния возмущающих факторов на транспортное средство в целом, а также не учитывает комплексного влияния совокупности возмущающих воздействий.
Известен испытательный автополигон НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», включающий 15 типов и разновидностей дорог, закольцованных в замкнутую петлю. Участки полигона располагаются в установленной последовательности общей протяженностью 110 км. Полигон позволяет проводить комплексные испытания транспортных средств в условиях, имитирующих практически все многообразие условий эксплуатации транспортных средств различных типов и назначения.
К недостаткам этого полигона, с точки зрения применения для комплексных испытаний робототехнических комплексов наземного базирования сверхлегкого и легкого классов, можно отнести, помимо больших размеров полигона, жесткую однажды выбранную последовательность испытательных участков, а также зависимость условий проведения испытаний от сезонных и погодных факторов.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для испытания мобильных роботов [патент RU 2610810], представляющее собой единую сборно-разборную конструкцию с конструктивными узлами (модулями) в качестве препятствий для прохождения роботами. Входящие в состав некоторых модулей однотипные элементы могут стыковаться между собой различными способами с возможностью изменения конфигурации самого препятствия.
К недостаткам прототипа можно отнести небольшие размеры конструкции, ограничивающие возможность проведения испытания наземных мобильных роботов, отсутствие возможности использования любого одиночного препятствия независимо от остальных; отсутствие возможности соединения препятствий в любом порядке с целью изменения конфигурации устройства для создания различных траекторий прохождения испытаний; отсутствие возможности использовать устройство в условиях воздействия природных погодных факторов; отсутствие возможности количественно оценивать характеристики работы робота в ходе проведения испытаний, т.к. рассматриваемое устройство позволяет осуществлять в основном сравнительные испытания однотипных по функционалу мобильных роботов в одинаковых условиях по принципу «лучше-хуже» в соответствии с оценкой по общим критериям «прошел - не прошел», «быстрее-медленнее» и т.п. с целью выявления победителя соревновательных испытаний. Эти недостатки ограничивают область применения данного устройства для проведения испытаний мобильных роботов и существенно снижают точность оценки функциональных характеристик робота.
Задачей полезной модели является создание реконфигурируемого испытательного стенда, соответствующего по размерам испытуемым мобильным роботам, для проведения комплексных испытаний в любых погодных и сезонных условиях, с возможностью получения точных количественных оценок функциональных характеристик испытываемых мобильных роботов, обеспечивающего повышение точности оценки функциональных характеристик мобильных роботов при проведении стендовых испытаний.
Поставленная задача решается следующим образом. Для создания реконфигурируемого стенда для комплексных испытаний использован принцип модульного построения, при этом в предложенном стенде каждый модуль стенда предназначен для испытаний определенной функциональной характеристики мобильного робота, а совокупность модулей обеспечивает возможность проведения целого комплекса испытаний, причем модули выполнены таким образом, что все они могут соединяться между собой сборочными операциями с помощью крепежных элементов (например, болтов) в жестко скрепленную единую сборно-разборную конструкцию и создавать таким образом любую линейную или замкнутую траекторию для проведения одиночных или повторяющихся прохождений в соответствии с требуемой программой испытаний. Реконфигурируемый стенд может быть перемещен в закрытое лабораторное помещение при необходимости исключить влияние естественных погодных условий на ход и результаты испытаний или наоборот создать требуемые параметры воздействующих климатических факторов, недостижимых в естественных условиях, например, для проведения испытаний характеристик мобильного робота при внешних воздействующих факторах, соответствующих летнему сезону, таких как, например, температура и влажность, в период зимних холодов или для создания экстремальных условий эксплуатации. Для получения количественных показателей функциональных характеристик испытываемых мобильных роботов на модули стенда устанавливаются датчики и контрольно-измерительное видео оборудование, объединенные в единую сеть автоматической регистрации и контроля.
При изготовлении стенда применяются материалы, позволяющие использовать стенд в естественных условиях «под открытым небом», а размеры модулей соответствуют габаритам мобильных роботов сверхлегкого и легкого классов.
Проведение комплексных или, в случае необходимости, определенных испытаний по заданной программе в любых условиях по оптимальной для конкретной задачи испытания мобильных роботов траектории, обеспечиваемое предложенным реконфигурируемым стендом, повышает точность и полноту оценки функциональных характеристик испытуемых роботов, а оснащение стенда контрольно-измерительным оборудованием позволяет получить точные количественные оценки проводимых испытаний.
Таким образом, технический результат полезной модели заключается в повышении точности и полноты оценки функциональных характеристик мобильных роботов при проведении стендовых испытаний.
Реконфигурируемый стенд для комплексных испытаний функциональных характеристик наземных мобильных роботов сверхлегкого и легкого классов представляет собой единую сборно-разборную реконфигурируемую конструкцию, состоящую из модулей, выполненных в виде дискретных конструктивных узлов, установленных на общем основании, в качестве которого может выступать любая относительно ровная поверхность необходимой для размещения на ней стенда площади, в т.ч. пол помещения, ровный участок земли и др., жестко соединенных между собой с помощью болтовых соединений, оснащенный датчиками и необходимым контрольно-измерительном, в том числе, видео оборудованием, объединенными в единую сеть автоматической регистрации и контроля.
Сущность полезной модели поясняется следующими рисунками.
Фиг. 1 - модули наклонных поверхностей с покрытиями из сыпучих грунтов.
Фиг. 2 - наклонный резервуар для сыпучих материалов.
Фиг. 3 - горизонтальный резервуар для сыпучих материалов.
Фиг. 4 - эскарп.
Фиг. 5 - модуль наклонных поверхностей и лестничных маршей с бетонным покрытием.
Фиг. 6 - наклонная поверхность с бетонным покрытием.
Фиг. 7 - горизонтальная поверхность с бетонным покрытием.
Фиг. 8 - лестничные марши с бетонным покрытием.
Фиг. 9 - модуль бассейна.
Фиг. 10 - настил.
Фиг. 11 - модуль элементов железной дороги.
Фиг. 12 - модуль поверхности, имитирующей рельеф сильнопересеченной местности.
Фиг. 13 - модуль реконфигурируемых помещений.
Фиг. 14 - вариант взаимного расположения модулей и траектории их преодоления.
На фиг. 1 показаны варианты исполнения модулей наклонных поверхностей с покрытиями из сыпучих грунтов, например, с глиной 1, гравием 2 и песком 3. Модули собираются из наклонных резервуаров 4 (фиг. 2) и горизонтального резервуара 5 (фиг. 3) и/или эскарпа 6 (фиг. 4). Наклонные резервуары 4 изготавливаются, например, в четырех исполнениях, угол α в которых принимает значения 20°, 25°, 30° и 40°. Эскарпы 6 изготавливаются в двух исполнениях с углом Р, который принимает значения 45° и 60°. Составные части модуля 4, 5, 6 комбинируются с произвольным взаимным расположением и жестко соединяются при помощи болтового соединения 7 (фиг. 1, показано у одного модуля), а затем образованный резервуар заполняется любым сыпучим материалом. Возможность сборки модулей из составных частей в произвольном порядке обеспечивается тем, что его составные части - эскарп, горизонтальный и наклонный резервуары выполнены в виде металлического каркасов 8, которые имеют одинаковые высоту Н и ширину А. В каркасах в соответствующих местах выполнены отверстия для болтовых соединений 9.
На фиг. 5 показан модуль 10 наклонных поверхностей и лестничных маршей с бетонным покрытием. Модуль собирается из наклонных поверхностей 11 (фиг. 6), горизонтальной поверхности 12 (фиг. 7) и лестничных маршей 13 (фиг. 8) с бетонным покрытием. Наклонные поверхности 11 изготавливаются в двух исполнениях, угол, у которых принимает значения 20° и 30°. Составные части 11, 12, 13 модуля 10 комбинируются с произвольным взаимным расположением и соединятся при помощи болтовых соединений 7. На рисунке 5 показан вариант исполнения модуля с углами 20° и 30°. Аналогично, сборка модуля в произвольной конфигурации обеспечивается соразмерностью его составных частей.
На фиг. 9 показан модуль бассейна 14 переменной глубины, представляющий собой конструктивный узел из нескольких составных частей, включающий наклонные поверхности для заезда 15 и резервуар бассейна 16 с возможностью заполнения текучими материалами на глубину до 600 мм, выполненный из листового металла в виде поддона с бортами, установленного на металлический каркас 8. Резервуар бассейна поделен на две равные по площади дна части. Заезды в бассейн и заезд из одной части бассейна в другую осуществлены посредствам наклонных поверхностей крутизной 15°. Высота борта бассейна предотвращает выплескивание содержимого бассейна при сильном волнении во время проведения испытаний.
На фиг. 10 показан конструктивный узел стенда - настил (базовый) 17, выполненный в виде металлического каркаса 8, который может быть заполнен любым сыпучим грунтом. Настилы предназначены для построения испытательной траектории и сборки стенда в единую конструкцию. Размер настила определяется размером металлического каркаса и является соразмерным с остальными составными частями модулей для обеспечения возможности их сборки в любом порядке.
На фиг. 11 показан модуль элементов железной дороги 18, представляющий собой участки железнодорожного полотна 19, уложенные на грунт или на гравийную насыпь 20, расположенные на общем настиле 17, с размерами, кратными базовому настилу.
На фиг. 12 показан модуль поверхности, имитирующей рельеф сильнопересеченной местности 21, представляющий собой выступы 22, выполненные, например, из бетонного стенового камня, расположенные в произвольном порядке, установленные на общем настиле 17.
На фиг. 13 показан модуль реконфигурируемых помещений 23 (крыша не показана), представляющий собой металлический каркас 24 с вертикальными перекрытиями 25. Перекрытия выполнены в виде прямоугольных пластин и представляют собой глухие панели, панели с вмонтированными дверьми 26 различных типов и панели с различными вмонтированными окнами 27. Перекрытия внутри модуля могут быть переставлены необходимым образом для создания различных размеров помещений и размещения в них различных препятствий.
Все модули выполнены на базе однотипных каркасов с одинаковыми размерами плоскости стыка 28 с высотой h (показана на фиг. 2) и шириной плоскости стыка кратной размеру А (фиг. 2) и единообразно расположенными отверстиями для установки болтов 9 для соединения модулей и настилов.
На фиг. 14 показан вариант взаимного расположения модулей и один из вариантов траектории их преодоления. Траектория показана пунктирной линией с началом Он и концом Ок. Показанный вариант траектории пролегает через все описанные выше модули. Модули скрепляются между собой и с настилами накладками 29, 30 и болтами 31, как показано соответственно на видах Б (плоская накладка) и В (угловая накладка) на фиг. 14. При необходимости, модули могут быть переставлены для составления замкнутой траектории, при этом замкнутость траектории может быть также достигнута путем разворота на одном из модулей или настиле с последующим движением в обратном направлении.
Сборка стенда осуществляется следующим образом. В соответствии с программой испытаний определяется конфигурация стенда, т.е. формируется траектория, задается последовательность расстановки модулей и настилов. Затем модули и настилы стыкуются и жестко скрепляются между собой плоскими или угловыми накладками с помощью болтов.
Характеристики мобильных робототехнических комплексов, испытываемые на стенде:
- проходимость горизонтальных и находящихся под наклоном к горизонтали поверхностей с различными типами покрытия (например, при испытаниях на модуле наклонных поверхностей с сыпучим покрытием);
- преодоление пороговых препятствий различной высоты и взаимного расположения (например, при испытаниях на модуле поверхности, имитирующей рельеф сильнопересеченной местности);
- проходимость затопленных участков (например, при испытаниях на модуле бассейна);
- способность и степень взаимодействия с окружающей обстановкой (например, при испытаниях на модуле элементов железной дороги);
- время непрерывной работы и затраты энергии при работе в условиях повышенных нагрузок на приводы мобильных роботов;
- скорость прохождения отдельных препятствий;
- управляемость и маневренность при прохождении препятствий, например, при испытаниях на модуле реконфигурируемых помещений;
- степень универсализации робота при преодолении различных препятствий;
- способность и точность движения по заданной траектории в дистанционном режиме оператором от пульта дистанционного управления и автоматическом режиме управления;
- способность и точность движения в замкнутом пространстве с различными условиями освещения и при наличии произвольных препятствий в дистанционном и автоматическом режимах управления;
Испытания мобильных роботов проводятся следующим образом.
Испытательный стенд в заданной реконфигурации в зависимости от фазы испытаний и в соответствии с программой испытаний устанавливается либо в естественных условиях, либо стендовом помещении.
Для испытаний отдельных функциональных характеристик мобильный робот выводится в исходное положение для начала проведения испытаний на любом из функциональных модулей, в зависимости от целей проводимого испытания. При этом испытуемая характеристика контролируется датчиками, например, видеокамерами, установленными на участке стенда (модуле) и входящими в состав контрольно-измерительной аппаратуры стенда, а также датчиками, устанавливаемыми в случае необходимости на корпусе робота, например, для контроля углов ориентации робота в пространстве (крен, тангаж, рысканье), вибраций элементов конструкции, измерения моментов на приводах и др. Все датчики объединяются в систему автоматизированной регистрации хода испытаний и ведения протокола. Например, при проведении испытания проходимости на модуле наклонных поверхностей с сыпучим покрытием, может контролироваться время прохождения каждого участка модуля и построения зависимости потребляемой приводами робота мощности от положения робота на модуле.
Для испытаний комплексных характеристик, например, времени непрерывной работы в условиях близких к реальным, необходимые модули могут быть выстроены в определенной последовательности на общем основании для многократных прохождений, как показано на фиг. 14, при этом контролируется время начала и окончания прохождения каждого модуля, уровень заряда аккумулятора, потребляемая мощность приводов и др. Для проверки возможности функционирования и маневрирования в замкнутых пространствах при любых режимах управления, а также проверки возможности взаимодействия с окружающими объектами, используется модуль реконфигурируемых помещений, например, для имитации условий работы в складских помещениях.
Технический результат полезной модели заключается в повышении точности и полноты оценки функциональных характеристик мобильных роботов при проведении стендовых испытаний.