Робот-инсекоптер для мониторинга окружающей среды

Выпуск 3(15), 2015

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

УДК: 62-503

РОБОТ-ИНСЕКОПТЕР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Р.Ю. Поляков, С.В. Ефимов, С.Ф. Яцун

Рассмотрены основные понятия мобильных робототехнических комплексов. Представлена математическая модель и функциональная схема бортовой системы управления. Был проведен ряд экспериментов, в ходе которых определена зависимость тягового усилия от частоты вращения.

Ключевые слова: мобильные робототехнические средства, инсекоптер, бортовая система управления, подъемная сила.

Введение. С развитием робототехники и сопутствующих технологий все больший интерес проявляется к бионике - науке, которая изучает характер движения живых организмов, а также явления и процессы, протекающие в них. Копирование природных идей при создании роботов, позволяет быстро и эффективно достичь поставленных результатов. Такой подход особенно востребован при создании роботов, способных скрытно перемещаться в пространстве для выполнения задач, связанных со сбором информации. Особый интерес представляют летающие роботы, в которых реализованы принципы полета насекомых. Такие роботы получили название инсектоптеры. Одним из преимуществ робота-инсектоптера является то, что энергопотребление при прочих равных по сравнению с традиционными схемами, например мультироторного типа, значительно ниже. Крылья с изменяемыми параметрами и геометрией могут быть переориентированы и адаптированы под текущие условия в каждый момент полета летательного аппарата, что позволяет максимально использовать энергию воздушных потоков и увеличить дальность свободного планирования. Поэтому ведущие научные центры мира ведут разработки по созданию малогабаритных летающих роботов с машущим крылом[1-9].

1. Описание робота. Рассматриваемый робот -стрекоза оснащен двумя оппозитно двигающимися крыльями, установленными на фюзеляже. В движение крылья приводятся с помощью электродвигателя и специальной трансмиссии, состоящей из синхронизатора и двух кривошипно-коромысловых механизмов. На фюзеляже также установлено хво-

стовое оперение оснащенное рулями высоты и направления. При подаче напряжения на электродвигатель вращение передается на редукторы, а затем на зубчатую цилиндрическую передачу синхронизатора, которая представляет собой два зубчатых колеса одинакового диаметра, находящихся в зацеплении друг другом и с шестерней, установленной на выходном валу редуктора. Мембраны крыльев, изготовленные из эстетичного материала, закреплены на стрингерах, выполненных из жесткого материала (углепластика), создают необходимое тяговое усилие при схлопывании или разведении пары крыльев. Такая схема крыльев является уравновешенной и позволяет создавать реактивную струю воздуха, обеспечивающую соответствующее тяговое усилие и необходимую подъемную силу.

2. Математическая модель робота. Для получения математической модели, рассмотрим рис. 1, на котором представлена схема робота-инсектоптера. Движение такого объекта происходит в абсолютной системе координат Oxyz . С корпусом робота связана относительная, подвижная система координат C2X2Z,, начало которой совпадает с центром тяжести корпуса С2, Ось С2Х2 такой системы координат направлена параллельно продольной оси корпуса, ось С2У2, направлена перпендикулярно плоскости C2X2Z2, а ось C2Z2 - перпендикулярно плоскости С2х2у2 - Плоскость C2X2Z2 является плоскостью симметрии робота[6].

Центр масс корпуса движется в пространстве со скоростью vC = (vC2 , vyC2, vzC2) Т, а робот вращается вокруг центра масс с угловой скоростью ш = (шх, шх, ш2) Т под действием распределенных сил, возникающих в результате взаимодействия

48

Вестник Воронежского института ГПС МЧС России

элементов системы, с окружающей средой Fi приведенных к сосредоточенным силам тяги Т = (Т, 0 ,0 ) Т, подъемной силе Q = (0 ,0 , Q) Т и R2 = (R 2х2, R2у2, R2z2)Т - силы, действующей на хвостовое оперение со стороны набегающего потока воздуха. Кроме этого, учтены и силы веса G = (0 ,0 ,-Y.m id ) Т

Далее принято допущение о том, что угловая скорость вращения крыла значительно выше угловой скорости вращения корпуса, что позволяет значительно упростить уравнения, описывающие вращательное движение робота. Кроме этого, принято, что мембраны крыла являются недеформируемыми невесомыми пластинами имеющими возможность поворота относительно стрингера.

Рис. 1. Расчетная схема робота-инсектоптера

Полет инсектоптера можно разложить на несколько этапов, которые осуществляются под действием управляющих воздействий, поступающих со стороны бортовой системы управления. В первую очередь осуществляется отрыв от опорной поверхности и взлет. Далее происходит набор высоты в соответствии с выбранным законом изменения вертикальной координаты, после этого устройство начинает движение в горизонтальной плоскости в заданную точку пространства. В этой точке можно

реализовать режим зависания, позволяющий производить разведку местности видеосъемку и осуществлять необходимые измерения. После выполнения задания инсектоптер возвращается в исходную или любую определенную в задании точку и осуществляет посадку.

Для реализации автономного полета предложена схема системы автоматического управления показанной на рис. 2.

49

Выпуск 3(15), 2015

Определение реальных координат робота осуществляется с помощью установленных в системе управления GPS - навигатора, гироскопа и альтиметра. Обработка данных, поступающих с датчиков, сравнение их с заданными, нахождение управляющих воздействий по отклонениям реальных координат от заданных, происходит в блоке отработки информации. Управляющие напряжения определяются с помощью многоканального регулятора и поступают на соответствующие электроприводы ( OY{) . Модель робота-инсектоптера связывает три управляющих воздействия: угловая скорость вращения электродвигателя, углы поворота рулей высоты и направления о ,ср 2 , р 3, с шестью управ-

ляемыми координатами X, Y, Z, ф, ф, 0 которые позволяют роботу двигаться по заданной пространственной траектории[2,3].

3. Определение приведенной силы тяги и подъемной силы. Для определения приведенной силы тяги T и подъемной силы Q создаваемых крылом были проведены экспериментальные исследования на специальном стенде[5]. Для этого был разработан и изготовлен прототип робота-стрекозы. Общий вид экспериментального образца приведен на рис. 3. Робот имеет следующие данные вес корпуса тг = 0, 0 2 кг, вес крыльев т2 = 0, 0 1 7 кг, длина крыла 1=0,35 м.

Рис. 3. Общий вид прототипа.

Был проведен ряд экспериментов, в ходе которых определена зависимость тягового усилия от частоты вращения (рис. 4).

Рис.4. Зависимость силы тяги и подъемной силы от частоты вращения кривошипа.

Заключение. Выполнено математическое моделирование полета робота. Предложена функциональная схема бортовой системы управления. Спроектирован и изготовлен прототип летающего

Библиографический список

Александер Р. Биомеханика / Р. Алекссандер - М.: «Мир», 1970. - 341 с.

Бранков Г. Основы биомеханики ML. - М.: «Мир», 1981. - 254 с.

Робот-стрекоза // URL: http://subscribe.ru

Робот - птица // URL: http://erihotel.com

Робот-насекомое совершил свой первый управляемый полет // URL: http://www.rzaki.ru

робота, оснащенный оппозитными машущими крыльями. Приведена методика определения приведенных сил тяги и подъемной силы.

References

Aleksander R. Biomehanika / R. Alekssander - M.: «Mir», 1970. - 341 s.

Brankov G. Osnovy biomehaniki ML. - M.: «Mir», 1981. - 254 s.

Robot-strekoza // URL: http://subscribe.ru Robot - ptica // URL: http://erihotel.com Robot-nasekomoe sovershil svoj pervyj upravljaemyj polet // URL: http://www.rzaki.ru

50

Вестник Воронежского института ГПС МЧС России

Тихонравов М.К. Полет птиц и машины с машущими крыльями / М.К. Тихонравов. - М.: «Оборонгиз», 1949. - 448 с.

Орнитоптер Park Hawk // URL: http://novostey.com

Биомеханическая птица Avitron // URL: http://noteboоktable.kiev.ua

DelFly Micro // URL: http://someinterestmgfacts.net

Tihonravov M.K. Polet ptic i mashiny s mashushhimi kryl'jami / M.K. Tihonravov. - M.: «Oborongiz», 1949. - 448 s.

Ornitopter Park Hawk // URL: http://novostey.com Biomehanicheskaja ptica Avitron // URL: http://notebooktable.kiev.ua

DelFly Micro sajt someinterestingfacts // URL: http ://someinterestmgfacts.net

ROBOT-INSCOPE FOR ENVIRONMENTAL MONITORING

The basic concepts of mobile robotic systems. Presents a mathematical model and a functional diagram of the onboard control system. Conducted a series of experiments in which the dependence of traction force from the rotational speed.

Keywords: mobile robotic, inscope, Board control system, lifting force.

Поляков Роман Юрьевич,

polyakov_gps@mail. ru Россия, Воронеж Polyakov Roman Yurievich,

Russia, Voronezh

Ефимов Сергей Венегдитович,

доцент, к.т.н.,

Воронежский институт ГПС МЧС России

sergey160@mail.ru

Efimov Sergey Venehjarvi,

associate Professor, Ph. D.,

Voronezh Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia,

Russia, Voronezh

Яцун Сергей Федорович,

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Юго-Западный государственный университет teormeh @inbox. ru,

Россия, г. Курск Yatsun Sergey Fedorovich,

doctor of technical Sciences, Professor, head of chair South-West state University Russia, Kursk

© Поляков Р.Ю., Ефимов С.В., Яцун С.Ф.

51