Стабизизация рабочего органа манипулятора, расположеного на нежестком основании

5. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Программа АКБУБМ.: Академия, 2006. 288 с.

6. Илюхина Н.С., Фролов А.А. Расчёт статических и динамических характеристик двухобмоточного электромагнита втяжного типа. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 67-71.

7. Казаков Л. А. Электромагнитные устройства РЭА: справочник. М.: Радио и связь, 1991. 352 с.

Илюхина Наталья Сергеевна, канд техн. наук, доц., проф. каф. САУ, nsi-il@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Фролов Александр Александрович, инженер, neymles@rambler.ru , Россия, Тула, Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова

THE DESIGN OF ELECTROMAGNETIC STEERING, GIVEN THE POWER LIMITATIONS

ONBOARD BATTERY

N.S. Ilyukhina, A.A. Frolov

The submissions of works on creation of methodology for the design of electromagnetic actuator with consideration of power limitations on-Board battery. Developed a mathematical model describing dynamic processes in electromagnetic steering actuator. The technique of designing, and static and dynamic characteristics of retractable electromagnet.

Key words: electromagnet, an onboard battery, hysteresis, electromagnetic steering.

Ilyukhina Natalia Sergeevna, Ph. D., professor nsi-il@yandex.ru , Russia, Tula , Tula State University

Frolov Aleksandr Aleksandrovich, engineer, neymles@rambler.ru, Russia, Tula , Instrument Design Bureau

УДК 51-74

СТАБИЗИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА МАНИПУЛЯТОРА, РАСПОЛОЖЕНОГО НА НЕЖЕСТКОМ ОСНОВАНИИ

Нгуен Ван Шон, Нгуен Тиен Зунг

Разработана функциональная схема, структурная схема на основе математических уравнений для управления плоским роботом по принципу компенсации.

Ключевые слова: мобильный робот, двигатель постоянного тока с независимом возбуждение, усилитель мощности, редуктор.

Существует класс мобильных роботов, которые могут использоваться для разминирования боеприпасов [1]. Проблема роботов указанного класса заключается в том, что основание расположено на вязкоупругих опорах и при работе манипулятора движется, что понижает точность исполнения команд. Эксплуатация роботов указанного класса показывает, что их работа требует высокой точности при перемещении манипулятора в нужное место, так как ошибки в позиционировании приводят к несанкционированному срабатыванию взрывного устройства. Поэтому существует проблема стабилизации рабочего органа в роботах указанного класса. Цель стабилизации рабочего органа - повышение точности.

Принято различать три фундаментальных принципа управления: принцип управления по возмущению, принцип управления по отклонению и принцип комбинированного управления [2]. Анализ преимуществ и недостатков этих принципов позволяет определять наилучший способ для управления рабочим органом. Принцип управления по возмущению не может применяться, так как невозможно измерить все регулярные и нерегулярные возмущения и, следовательно, операция выполняется с небольшой точностью. При отсутствии известных возмущения два последних принципа управления имеет одинаковую структурную схему управления мобильного робота, которая приведена на рис. 1, где показано З - задатчик пространственного положения манипулятора; УУ1...УУД - устройства управления звеньями манипулятора; УИ - устройство измерения пространственного положения платформы П; КУ - корректирующее устройство; Д1 - ДД - двигатели приводов звеньев манипулятора Зв1 - ЗвД; О - опора; С - среда.

Рис. 1. Структурная схема управления манипулятором, расположенным на нежестком основании

Общий принцип стабилизации заключается в следующим: Задатчик З задает пространственное положение И* манипулятора в Земной системе координат. Устройство управления УУ1 формирует напряжение управления и1, подаваемое на первый двигатель Д1. Из-за упругости опор платформа колеблется во время работы манипулятора [3]. В [3] приводится

система дифференциальных управлений, определяющая параметры этих колебаний, которая получена для случая пространственного перемещения рабочего органа (сам робот находится в покое). Колебания платформы измеряются устройством измерения УИ, и с помощью корректирующего устройства КУ формируется напряжение и2 обратной связи. Напряжения и1 и и2 суммируются, и их сумма подается на первый двигатель Д1. Таким образом, колебание платформы компенсируется напряжением и2.

Расчетная модель управления роботом, включает следующие компоненты:

- двигатель постоянного тока с независимым возбуждением;

- усилитель мощности, который формирует сигнал в виде импульсов (по принципу широтно-импульсной модуляции);

- редуктор с передаточным числом /, и упругой передачей;

- датчики обратных связей;

- регуляторы тока, скорости и положения.

При построении модели приняты следующие допущения:

- исходное положение манипулятора - вертикальное;

- платформа является абсолютным жестким телом, центр масс которого находится в центре тела;

- жесткости и вязкости опор в обоих колесах одинаковы.

Решается задача управления по положению: робот стоит на нужном

месте, требуется управлять манипулятором так, что звено захвата оказывается на высоте И* в земной системе координат (рис. 2).

4

Рис. 2. Мобильный робот при позиционном управлении

Угол а поворота платформы [3] определяются следующей форму-

лой:

^х (я) =

1

а

где Т - момент на выходном валу редуктора; g - ускорение свободного падения; J\ - момент инерции манипулятора относительно точки О; s - символ дифференцирования алгебраической величины; l - расстояние от шарнира О до левой и правой опоры; ф - угол вращения манипулятора относительно исходного положения; у - сумма углов а и ф; b, с - вязкость и жесткость опор.

Геометрическое условие имеет вид

h=zq + z+/3 cosa+ф),

где zq = const: высота шарнира О в первоначальной момент в земной системе координат^: высота центра масс манипулятора.

Отсюда:

а + ф = arccos

h - z 0 - z

/3

Учитывая, что величина колебания по оси г незначительно, ею можно пренебречь, в результате чего требуемое угловое положение манипулятора у* определяется формулой:

И * - г 0

Y*

arccos

/3

где ¡з - расстояние от шарнира О до центра масс манипулятора.

Функциональная схема электропривода с учетом упругих свойств механической передачи имеет вид [4]:

Т

Y*

к п Y

РТ

УМ

Дв

KC ф

ДТ

ио

М

ДП

ДС

ф

J.

Рис. 3. Функциональная схема позиционного управления

плоского робота

Значение угла у* подается на вход регулятора положения (РП), скорости (РС), тока (РТ) и рассчитывается значение сигнала на двигатель (Дв) через усилитель мощности (УМ). Создавший момент на валу двигателя усиливается с помощью редуктора, передаточное число которого равно /. С учетом упругости передачи с жесткостью С и потери на неупругое внутреннее сопротивление х, может быть получен момент Т на выходном валу редуктора. Момент Т действует на манипулятор и вызывает движение манипулятора (М). Положение манипулятора определяется углом у. Величи-

ны угла у, скорости манипулятора и тока двигателя измеряются датчиками ДП, ДС, ДТ и поступают на регуляторы.

Модель плоского движения робота в окрестности от положения у = 90о имеет вид:

иЦ) = Ку му Ц - Ту);

и=ш+ьШг, +К;

ш

о, = Кт I;

а = + Оу;

аУ = с (яш -р) + х(яш --);

г г

Т = гОу;

Т = Зха + 2/2 (Ьа + с а); Т = J 2^; у = а + р,

где т - общая масса манипулятора и платформы; му - сигнал управления; и

- напряжение входное двигателя; /у - частота широтно-импульсной модуляции (ШИМ) УМ; Ту = /- - период ШИМ УМ; К у - коэффициент уси-

/у

ления УМ; Я, Ь - активное и реактивное сопротивление обмотки двигателя; I - ток в обмотке двигателя; Кт - коэффициент крутящего момента;

О, - момент, приложенный к подвижному элементу двигателя [Н.м]; Jш

- момент инерции вала двигателя; О у - момент упругих сил; С - жесткость упругой передачи; % - коэффициент потери на внутреннее неупругое

с

сопротивление; С = — - приведенная к валу двигателя жесткость упругой

г2

передачи; %' = — - приведенный к валу двигателя коэффициент потери на

г2

внутреннее неупругое сопротивление; J 2 - момент инерции манипулятора.

На основе функциональной схемы построена структурная схема позиционного управления (рис. 4).

у* J1 РП J _ РС -Н8Н. 1 < РТ

к

У

1 + Т у 5

к

Т

ф

а

1

Ь* + Я

к

т

ЧсС

1/1

С '+х' *

3 2 *2

йу

Т

Жа

Рис. 4. Структурная схема позиционного управления плоского робота

Работа манипулятора была промоделирована в системе ЫайаЬ со следующими данными: тип робота М20К, двигатель 1^Т5036, максимальная угловая скорость 1,6 рад/с, максимальное угловое двигателя 3 рад/с , коэффициент передачи датчика тока КТ = 1, коэффициент передачи датчика скорости КС = 1, коэффициент усиления УМ Ку = 1, постоянная времени УМ Ту = 0,0004 с, передаточное отношение редуктора I = 120. Схема моделирования имеет на рис. 5.

1

1

Рис. 5. Схема моделирования работы робота

Результат моделирования приведен на рис. 6, в котором указаны у1 - угол, полученный по принципу управления по отклонению манипулятора в Земной системе координат; у2 - угол, полученный по принципу управления по отклонению манипулятора в связанной с платформой системе координат, или управление манипулятора без учета колебания платформы.

Как видно из рис. 6, полученное значение у1 имеет меньшую колебательность по сравнению с значением у2, т.е. обеспечивает более высокую точность при лучшем быстродействии.

Таким образом, полностью создана модель плоского робота, обеспечивающего высокую точность по положению при работе манипулятора с учетом колебания платформы. Решение этой задачи играет важную роль при стабилизации манипулятора мобильного робота, расположенного на подвижном основании.

Список литературы

1. Нгуен Ван Шон. Общий подход к построению мобильного робота // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5: в 2 ч. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 285-290.

2. Певзнер Л.Д. Теория системы управления. М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2002. 472 с.

3. Нгуен Ван Шон. Математическое моделирование робота при работе манипулятора// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 7: в 2 ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 250-256.

4. Ловчаков В.И., Сухинин Б.В., Сурков В.В. Оптимальное управление электротехническими объектами. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 149 с.

Нгуен Ван Шон, асп., sugus105@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Нгуен Тиен Зунг, асп., nguyentiendung108@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет.

STABILISATION WORKING BODY LOCATED ON THE NON-RIGID PLATFORM

Nguyen Van Son, Nguyen Tien Dung

The functional circuit block diagram on the basis of mathematical equations to control the robot flat on the principle of compensation.

Key words: mobile robot, a DC motor with independent excitation, power amplifier,

reducer.

Nguyen Van Son, postgraduate, sugus105@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Nguyen Tien Dung, postgraduate, nguyentiendung108@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University

УДК 623.466

ОПТИМИЗАЦИЯ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ДПЛА ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ

В.И. Рабинович, С.В. Феофилов, Р.Г. Седов

Рассматривается анализ структуры артиллерийского комплекса высокоточного оружия с использованием дистанционно-пилотируемого летательного аппарата, представлена циклограмма работы комплекса и предложен метод её оптимизации с целью сокращения времени выполнения боевой задачи.

Ключевые слова: управляемый артиллерийский боеприпас, дистанционно-пилотируемый летательный аппарат, высокоточное оружие циклограмма, условная оптимизация.

Введение

Процесс успешного выполнения боевой задачи, для артиллерийского комплекса высокоточного оружия (ВТО) с использованием дистанционно-пилотируемого летательного аппарата (ДПЛА) в качестве средства разведки и целеуказания, сопряжен со следующими особенностями:

- точное позиционирование ДПЛА во времени и пространстве на критических этапах выполнения боевой задачи;

- выполнение боевой задачи за минимально возможное время, обусловленное риском потери ДПЛА;