Проведение исследования движения многозвенного летающего робота для мониторинга окружающей среды

2. Киселев В.В., Полетаев В.А. Исследование триботехнических характеристик металлосодержащих присадок к маслам, используемым в электрических машинах // Вестник ИГЭУ. 2011. - Вып. 2. - С. 65-67.

ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ МНОГОЗВЕННОГО ЛЕТАЮЩЕГО РОБОТА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Р.Ю. Поляков, преподаватель С.В. Ефимов, доцент, к.т.н.

В.Е. Валуйский, старший преподаватель Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж Н.В. Мозговой, заведующий кафедрой, д.т.н., профессор Воронежский государственный технический университет,

г.Воронеж

С развитием робототехники и сопутствующих технологий все большее значение приобретают малогабаритные летающие роботы, оснащенные измерительной аппаратурой, позволяющей контролировать состояние окружающей среды. Основной проблемой, сдерживающей дальнейшее внедрение таких устройств, является ограниченный во времени ресурс их нахождения в воздухе. Одним из направлений позволяющим существенно расширить возможности летающих роботов является создание роботов на основе бионических идей, заимствованных у живой природы. Бионика - это наука, которая изучает явления и процессы в живых организмах, с целью создания роботов, работающих по тем же принципам [1-3]. Для создателей летающих роботов, особый интерес представляют летающие насекомые. Несовершенное в аэродинамическом отношении крыло насекомого в виде плоской пластинки требует для обеспечения полета сложной кинематики махания, так как крылья насекомых взяли на себя три функции: создание подъемной силы, силы тяги и функцию управления по высоте и направлению, так как у насекомых нет аэродинамически развитого хвостового оперения.

Большой вклад в разработку и создание летательных аппаратов с машущим крылом внесла немецкая компания Festo, исследователи которой изобрели беспилотный летательный аппарат BюmcOpter внешне имеющий вид стрекозы. У робота-стрекозы независимо друг от друга действуют четыре крыла. Крылья имеют высокую маневренность и могут разворачиваться вокруг собственной оси, давая BionicOpter 13 степеней свободы. Искусственное насекомое умеет висеть в воздухе и летать боком, может ускоряться при этом, все характеристики полета максимально приближены к характеристикам природного прототипа.

Следующей разработкой, является SmartBird (рис. 1, 2) [4]. Робот совершает взмахи крыльев, поднимает и опускает хвост, а также поворачивает голову для совершения поворота. Крылья не просто совершают движения, они подстраиваются под силу потока ветра, так же как это делает живая птица (махолет Park Hawk созданный компанией Flapping Flight). В полете этот аппарат действительно напоминает птицу, он набирает высоту либо снижается, варьируя интенсивность взмахов крыльями [5]. Известны также и другие, в том числе и отечественные разработки летающих роботов с машущим крылом [6]. Дальнейшее развитие таких аппаратов требует разработки инструментальных средств проектирования и теоретических основ движения.

Поэтому данная статья посвящена вопросам разработки теории движения летательного аппарата с машущими крыльями (рис. 1.). Он состоит из корпуса 1 и крыльев - 2, 3. Для дальнейшего изучения движения объекта в полете воспользуемся двумя системами координат. Одна из них Oxyz условно неподвижна, вторая - связанная (относительная) система координат O 'x 'y 'z', начало которой совпадает с центром тяжести корпуса орнитоптера С2. Ось O'x' такой системы координат направлена параллельно продольной оси корпуса орнитоптера, ось O'y' направлена перпендикулярно плоскости крыльев и оси O 'x'. Плоскость O'x'у' является плоскостью симметрии орнитоптера и делит его на две равные части [1]. Ось O 'z' направлена перпендикулярно плоскости симметрии орнитоптера. При всех изменениях положения орнитоптера относительно земной (абсолютной) системы координат Oxyz, как линейных, так и угловых, связанная система координат перемещается и вращается вместе с ним.

Рис. 1. Расположение орнитоптера Рис. 2. Кинематическая

относительно связанной и земной схема робота

систем координат

Поворот связанной системы координат О 'х 'у '2' относительно оси 02 земной системы координат называется углом тангажа (на рис. 1 обозначен как р), относительно оси Ох - углом крена (на рис. 1 обозначен как у), относительно оси Оу - углом курса (на рис. 1 обозначен как 8).

Положение орнитоптера в пространстве относительно земной системы координат однозначно определяется радиус-вектором Яа.

На данном этапе будем рассматривать движение робота в плоскости Оху. Пусть положение модели в пространстве полностью определяется координатами х2 , у2, а конфигурация звеньев - углами фь ф2, ф3.

При моделировании движения объекта примем следующие допущения: все звенья летательного аппарата - абсолютно твердые недеформируемые тела; каждое из звеньев представляет собой стержень длиной ^ и массой ши сосредоточенной в центре симметрии звена С.

Покажем силы, действующие на робота, во время полета (см. рис.3).

F3 аэродинамические силы, действующие на звенья. В точках соединения звеньев установлены приводы, создающие крутящие моменты М21,М2з позволяющие звеньям двигаться относительно друг друга. Также, на звенья действуют силы тяжести О ¡ХЬ, Оз.

Современные исследования в области аэродинамики (в частности, испытание моделей различных летательных аппаратов в аэродинамической трубе) показали следующую картину распределения аэродинамических сил по крылу (рис. 4).

В результате проведенных исследований разработана модель, описывающая движение, основанная на упрощенном представлении летающего робота в виде системы трех твердых недеформируемых тел, связанных между собой электроприводами. Эта модель отражает движение летающих насекомых. Моделирование движения выполнено для типа полета, при котором корпус робота находится в режиме зависания а также синхронного движения крыльев. Получены зависимости соответствующих обобщенных координат от времени. Представлена последовательность движения звеньев крыла робота, а также результаты моделирования.

1. Вотяков А.А., Каюнов Н.Т. Аэродинамика и динамика полета самолета - уч. пос. - М.: «Издательство ДОСААФ», 1975. - 295 с.

Рис. 3. Расчетная схема робота

Рис. 4. Распределения аэродинамических сил по крылу

Список использованной литературы

2. Тихонравов М.К. Полет птиц и машины с машущими крыльями -М.: «Оборонгиз», 1949. - 208с.

3. Р. Александер Биомеханика - М.: «Мир», 1970. - 340 с.

4. http://www.festo.com/

5. http://flappingflight.com

6. http://katera.ru

7. Яцун С.Ф., Черепанов А.А., Рублев С.Б. Исследование движения трехзвенного мобильного робота по горизонтальной шероховатой поверхности // Изв. Юго-Зап. гос. ун-та. Серия Техника и технологии. 2012. - № 2. - Ч. 1. - С. 182-191.

ОПИСАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАЮЩИХ РОБОТОВ

Н.И. Попов, начальник адъюнктуры С.В. Ефимов, доцент, к.т.н.

Воронежский институт ГПС МЧС России, г.Воронеж

Анализ литературных источников показывает, что сегодня в основном применяются коптеры, управляемые оператором на основе визуального контроля положения робота в пространстве. Разработка таких устройств имеет ряд особенностей, связанных с тем, что оператор вынужден постоянно следить за положением коптера в пространстве, предвидеть возможность столкновений коптера с препятствиями и своевременно подавать управляющие воздействия на приводы соответствующих винтов. Это требует серьезной подготовки и тренинга оператора. Такой подход обладает такими существенными недостатками, как ограниченная область применения мобильных роботов, вызванная необходимостью поддержки связи с постом оператора; сложность управления на уровне действий, приводящая к быстрому утомлению оператора; сложность выработки адекватного управления на основе телеметрических данных.

Более перспективным является система управления движением с применением автономных устройств навигации и определения препятствий. Режим автономного управления позволяет роботу перемещаться в пространстве в самостоятельном режиме независимо от действий оператора.

Автономный полет состоит из нескольких основных этапов, выполняемых коптером, под действием управляющих воздействий, поступающих со стороны бортовой системы управления. В первую очередь осуществляется взлет с некоторой поверхности. Далее происходит набор высоты в соответствии с выбранным законом изменения вертикальной координаты, далее происходит перемещение коптера в