Анализ динамических свойств гусеничной машины для обеспечения роботизированного управления движением

Заключение

Разработанная математическая модель механизма подъема телескопической стрелы погрузчика позволяет анализировать взаимное положение звеньев на различных углах её поворота, необходимый ход цилиндра подъема стрелы для обеспечения заданной высоты подъема груза, высоту подъема груза и дальность его выдвижения в различных положениях цилиндров подъема и выдвижения стрелы, ряд силовых факторов (нагрузки на гидроцилиндр и давление в нем) в зависимости от конструктивных параметров привода и координат крепления шарниров. Путем многовариантного анализа можно выбрать рациональные значения конструктивных параметров и выполнить параметрический синтез привода.

Список литературы

1 Погрузчик телескопический. Характеристики и возможности. URL: http://stronews.ru/ pogruzchik-teleskopicheskij-xarakteristiki-i-vozmozhnosti/

2 Погрузчик с телескопической стрелой Амкодор 527: Руководство по эксплуатации. Минск: ОАО «Амкодор», 2008.

3 Навроцкий К. Л. Теория и проектирование ГПП. М.: Машиностроение, 1989. 248 с.

4 Автомобили: Специализированный подвижной состав : уч. пособие / М. С. Высоцкий [и др.]; под общ. ред. М. С. Высоцкого, А. И. Гришкевича. Минск: Выш. шк, 1988. 160 с.

5 Богдан Н. В., Жилевич М. И., Автушко В. П. Моделирование динамических процессов в гидроприводе подъема стрелы манипулятора погрузочно-транспортной машины // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». Харьков, 2001. Вып.129. Ч.2.С.31-52.

6 Шевченко В. С., Жилевич М. И. Математическая модель гидростатической передачи тягово-транспортной машины // Промышленная гидравлика и пневматика. 2010. №2. С.76-79.

УДК 629.1.02 А.А. Абабкова

Курганский государственный университет

анализ динамических свойств гусеничной машины для обеспечения роботизированного управления движением

Аннотация. В статье представлена классификация современных наземных военных роботов. Рассмотрены некоторые роботизированные комплексы российского и зарубежного производства. Проведен анализ динамических свойств гусеничной машины. Описано влияние нелинейности системы управления на реакцию машины.

Ключевые слова: роботизированный комплекс, гусеничная платформа, дистанционное управление, управляющее воздействие, реакция машины.

A.A. Ababkova Kurgan State University

ANALYSIS OF THE DYNAMIC PROPERTIES OF THE TRACKED

vehicle for providing movement robotic control

Annotation. The article presents the classification of modern ground-based military robots. We analyze some of Russian- and foreign-manufactured robotic systems. The analysis of the dynamic properties of the tracked vehicle is carried out. The article describes the influence of nonlinearity of the control system on the vehicle reaction.

Key words: : robotic complex, a tracked platform, remote control, control action, vehicle reaction.

В настоящее время роботы применяются в различных отраслях промышленности и выполняют сложные работы. Не обошлось без них и в военной технике. Стремление снизить потери солдат в процессе ведения боевых действий вынуждают конструкторов проектировать мобильные роботизированные платформы различного типа и назначения. На сегодняшний день активно такими разработками занимается США, но и в России существуют подобные конструкции. Рассмотрим подробнее существующие роботизированные комплексы.

Прежде всего, стоит отметить, что существует несколько классификаций военных роботов. В зависимости от выполняемой задачи различают разведывательные, инженерные, боевые и тыловые комплексы. Но для большинства автоматизированных аппаратов это разделение условно, так как они являются унифицированными платформами с набором модулей, которые можно легко менять в зависимости от выполняемого задания. Например, робота-сапера можно легко превратить в боевого робота [1].

По массе роботизированные платформы делятся на легкие, средние и тяжелые.

Важным параметром роботов является автономность работы. В зависимости от степени самостоятельности выполнения задания военные роботы подразделяются на дистанционно управляемых роботов, полуавтоматических и автоматических. Как правило, современные военные роботизированные комплексы управляются дистанционно с пульта, но сейчас активно разрабатываются полуавтоматические (они могут в большей или меньшей степени следовать вложенной программе и обходиться без постоянного вмешательства человека) и полностью автоматические роботизированные системы.

Мобильные роботизированные комплексы имеют различные формы и размеры. Например, на рису н к е 1 п р е_д с_т а влен м и н и а_тю р н ы й р о б о_т -

Вестник КГУ, 2017. № 2

разведчик Recon Scout (США). Его вес составляет 1,3 кг, длина 200 мм, он оборудован обычной и инфракрасной камерой.

Рисунок 1 - Робот-разведчик Recon Scout

Американская компания BAE Systems разработала самый крупный боевой робот Black Knight (рисунок 2). Вес данного роботизированного комплекса составляет 9,5 т, он вооружен 30-мм автоматической пушкой и спаренным с ней пулеметом, оборудован телекамерами, тепловизорами и системой спутниковой навигации.

Рисунок 2 - Боевой робот Black Knight

Существуют разработки военных роботов российского производства. Например, «Платформа-М» - универсальная самоходная гусеничная платформа на дистанционном управлении (рисунок 3). Масса робота достигает 800 кг. Кроме того, есть возможность размещения до 300 кг полезной нагрузки. Максимальная скорость платформы составляет 12 км/ч, время автономной работы не менее 10 часов. Комплекс «Платформа-М» предназначен для ведения боевых действий и разведки. Он способен уничтожать стационарные и подвижные цели, а также оказывать огневую поддержку своим подразделениям. Кроме того, робот может использоваться для постановки дымовых завес и минирования местности, проделывания проходов в минных полях противника, доставки боеприпасов и других грузов в

назначенное место, осуществлять охранное патрулирование важных объектов [2].

Рисунок 3 - Роботизированный комплекс «Платформа М»

Одной из последних разработок российских конструкторов является роботизированный гусеничный комплекс «Соратник» (рисунок 4). Данный комплекс представляет собой гусеничную платформу весом до 7 тонн с возможностью установки сменных боевых модулей. Максимальная скорость роботизированного комплекса составляет 40 км/ч. Запас хода «Соратника» - 400 км, автономность работы в пассивном режиме до 10 суток [3].

Рисунок 4 - Роботизированный гусеничный комплекс «Соратник»

Роботизированный гусеничный комплекс «Соратник» комплектуется боевыми модулями в зависимости от выполняемой задачи. Он способен вести разведку, патрулировать и охранять государственную границу, а также стратегически важные объекты, проводить разминирование и демонтаж заграждений, поддерживать сухопутные подразделения на поле боя. Также комплекс можно использовать для подвоза боеприпасов и горюче-смазочных материалов и для эвакуации раненых.

«Соратник» оснащен компьютерным интеллектом и избирательным машинным зрением. Комплекс работает в трех режимах управления:

- ручной (управление на расстоянии до 10 километров от оператора);

- полуавтоматический режим;

- автоматический.

«Соратник» способен обнаруживать цель на дистанции до 2,5 км и вести обстрел в движении, так как боевой модуль имеет гироскопическую стабилизацию вооружения. Комплекс может работать совместно в связке с другими автоматизированными боевыми единицами.

Современные тенденции развития робототехники связаны с созданием искусственного интеллекта. В России данными разработками для военных роботов активно занимается «Объединенная приборостроительная корпорация». В настоящий момент они завершили разработку программного комплекса централизованного и децентрализованного управления группой боевых роботов, который получил название «Уникум». Уже начались его испытания, которые представляют собой программное моделирование поведения машин в боевых условиях.

Данная разработка связана с автономным поведением группы боевых роботов, которые могут самостоятельно или коллективно принимать решения и корректировать совместную деятельность для выполнения поставленной задачи. Роботы самостоятельно распределяют между собой роли, сектора действия, они ведут разведку, наступают, обороняются и выбирают маршруты движения. При отсутствии сигналов ГЛОНАСС ориентировка в пространстве осуществляется путем самостоятельного составления трехмерной карты местности. Для этих целей в группе состоят роботизированные комплексы с различным набором модулей и имеются беспилотники. Поэтому данная программная платформа универсальна и позволяет управлять боевыми роботами всех типов и специализаций. В настоящий момент под платформу «Уникум» создаются боевые машины на гусеничном ходу УРП-01Г. Они способны нести до двух тонн полезной нагрузки.

Роботы на гусеничной платформе применяются и для мирных целей. Например, многофункциональный робототехнический комплекс пожаротушения на гусеничной базе «Уран-14» (рисунок 5). Его масса составляет 14 т, а максимальная скорость движения достигает 10 км/ч. Робот оснащен водяным пожарным насосом производительностью 2000 л/мин, а также цистернами с водой и пенообразователем емкостью 2000 л и 600 л, соответственно. Комплекс пожаротушения управляется дистанционно на расстоянии до 1 км, дальность тушения пожара 50 м, при этом ствол-монитор в горизонтальной плоскости может вращаться по кругу [4].

Рисунок 5 - Роботизированный комплекс пожаротушения «Уран-14»

Комплекс «Уран-14» предназначен для:

- дистанционного пожаротушения опасных и труднодоступных объектов, таких как горящие склады ГСМ, вооружения, конструкций с угрозой обрушения, а также ликвидации последствий происшествий, имеющих угрозу взрыва;

- проведения высокоточного пожаротушения в местах повышенных температур, на складах хранения взрывоопасных веществ, на нефте/га-зоперерабатывающих заводах и в других местах, где тушения пожаров человек осуществляет с высокой степенью риска для своего здоровья;

- разведки очагов пожара, в том числе скрытых, без внешних признаков горения, при помощи системы видеонаблюдения в оптическом и тепло-визионном диапазонах.

- проделывания проходов в завалах и разрушениях;

- подъема и перемещения с помощью схвата опасных и взрывчатых грузов массой до 1,5 тонн;

- толкания грузов массой до 4 тонн.

Комплекс прост и удобен в управлении, уникален по своей эффективности и безопасности работы, что исключает непосредственный контакт человека с опасными для жизни температурами в зоне пожаротушения.

Военных роботов, которые эксплуатируются в сложных условиях, устанавливают для повышения проходимости на гусеничную платформу. Одним из вариантов создания роботизированных технических комплексов является использование в качестве базы транспортной машины ТМ-140 и ее модификаций. Данная машина может управляться вручную (традиционно), дистанционно и программно.

В процессе движения гусеничной машины при традиционном способе управления водитель создает упреждающее управляющее воздействие, которое позволяет выполнять маневрирование правильно, без сноса или заноса. В случае непосредственного нахождения в салоне транспортного средства оператор способен адекватно оценить расстояние до препятствия и скорректировать траекторию движения.

При дистанционном управлении у операто-

ра нет возможности правильно оценивать расстояние до маневра, т.е. отсутствует трехмерный контур технического зрения. Поэтому невозможно своевременно создать упреждающее управляющее действие, что ограничивает максимальную скорость движения робота.

В случае программного управления на корпус роботизированного технического комплекса устанавливаются спутниковые антенны. При таких условиях движения для корректировки траектории гусеничной машины необходима электронная карта местности. Она позволяет проводить топологический анализ взаимного размещения подвижных и неподвижных объектов и планировать перемещение объекта управления (поиск маршрутов движения, расчет времени движения). В таких условиях очень важна высокая управляемость робота.

При управлении гусеничной машиной проявляются нелинейности, которые связаны с реакцией машины на управляющее воздействие, особенно в условиях удаленного управления объектом. Запаздывание реакции, продолжительность импульса, вид управляющего сигнала, все эти параметры влияют на реакцию машины. Кроме того, важным параметром является скорость передвижения роботизированных комплексов. Поэтому необходимо проводить моделирование систем управления гусеничными машинами.

Управление транспортным средством осуществляется по различным законам. При движении управляющее воздействие может обладать дискретными или непрерывными свойствами. Например, при прохождении тестовой змейки управляющее воздействие будет иметь вид синусоиды, а реакция на него гусеничной машины, полученная путем моделирования, представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Реакция гусеничной машины на гармоническое управляющее воздействие

Из графиков рисунка 6 видно, что при гармоническом управляющем воздействии реакция машины по угловой скорость и курсовому углу смещены относительно друг друга.

Рассмотрим моделирование реакции машины на нелинейную характеристику управления. Схема определения реакции нелинейной системы на симметричное гармоническое управляющее воздействие а = А^т(^) приведена на рисунке 7.

1 - кусочно-линейная форма; 2 - управляющее воздействие ашт = Аап($; 3 - реакция нелинейной системы Рисунок 7 - Формирование управления при нелинейной характеристике

Для исследования динамических свойств гусеничной машины с существенно нелинейной характеристикой системы управления поворотом необходимо ее формальное описание. Нелинейность характеристики М от а может

1 1 п шт

быть задана по-разному: в кусочно-линейной форме (формула (1)) или на основе линеаризации системы (формула (2)) [5].

Кусочно-линейная форма имеет вид:

Мп («ШГ ) =

0, при

Мп

0 < ашг - т

т < а тт < т + Ь

тах ,пРи т <«ШГ 0, при т + Ь < ащг < л + т -к^, прип + т<ашг <2л-(т + Ь) 0, при 2л- (т + Ь) <ашг < 2л

При гармонической линеаризации нелинейной характеристики функция определяется по уравнению

Мп(«шг) = е + Я7)«шг

где 1 - постоянная запаздывания, 1 = 0,2...0,4 с.;

q и q' - коэффициенты гармонической линеаризации:

Я(А) =

2 с

л- А

1 -

Ь

2

+, 1 -

22 т • Ь

А2

А2

/... 2 • с • Ь„ ч Я7

п-А при А>Ь,

где А - амплитуда управляющего воздействия. На статической характеристике нет координаты времени, а петлеобразность характеристики отражает нелинейность координатного запаздывания реакции. Для учета запаздывания во вре-

мени вводится трансцендентное звено чистого запаздывания ел

Характеристика системы управления поворотом с гидрообъемной передачей (ГОП) представлены на рисунке 8 в виде функции давления Р в силовых магистралях ГОП от угла поворота штурвала ашт . Характеристика содержит зону нечувствительности, ограничение координаты (насыщение по давлению) является двухзначной (петлеобразной) [6].

1 - статическая характеристика нелинейной системы;

2 - управляющее воздействие;

3 - реакция системы на управляющее воздействие.

Рисунок 8 - Параметры характеристики системы управления поворотом с ГОП

Зона нечувствительности (т=12°) определяется зазором в приводе управления и свойствами передачи. Величина зазора определяется условием обеспечения нулевой чувствительности к управляющему воздействию ограниченной амплитуды при случайных отклонениях штурвала водителем. Кроме того, зона нечувствительности устраняет остаточную скорость вращения вала гидромотора, свойственную системам с петлеобразными характеристиками, при возвращении штурвала в исходное состояние. Ширина петли определяется свойствами ГОП и составляет Ь=5,1°. Ограничение координаты определяется настройкой предохранительных клапанов и составляет с=45 МПа. Эта характеристика соответствует и изменению скорости поворота машины, когда двигатель работает в режиме максимальной мощности.

При управлении гусеничной машиной в реальных условиях существует запаздывание реакции машины на управляющее воздействие, то есть нелинейность системы управления. Наличие существенных нелинейностей может привести к автоколебаниям с недопустимо большой амплитудой, а в отдельных случаях - к нарушению устойчивости и управляемости движения. Таким образом, необходимо знать характер управляющего воздействия, его числовые характеристики и реакцию машины на соответствующее управление. Моделирование систем с нелинейностями позволяет выполнить расчеты и спрогнозировать поведение машины, а также определить основные направления снижения влияния нелинейности на динамику гусеничной машины.

Таким образом, при создании роботизированных комплексов на гусеничной платформе необходимо учитывать реакцию гусеничной машины в зависимости от вида управляющего воздействия и, анализируя полученные в процессе моделирования результаты, проводить стабилизацию траектории движения робота.

Список литературы

1 Современные военные роботы - боевые системы 6yöy^eao.URL: http://militaryarms.ru/voennaya-texnika/boevye-mashiny/voennye-boevye-roboty/, свободный.

2 «Платформа-М»: Многофункциональный боевой робот. URL: http://www.rosinform.ru/sukhoputnye-voyska/974169-platforma-m-mnogofunktsionalnyy-boevoy-robot/, свободный.

3 «Калашников» перешел на «умное оружие». Комплекс «Соратник» при поддержке беспилотников поддержит пехоту на поле боя.URL : http://svpressa.ru/war21/article/156336/, свободный. - Загл. с экрана.

4 Робототехнический комплекс пожаротушения «Уран-14». URL : http://766uptk.ru/index.php? do=staticHYPERLINK «http://766uptk.ru/index.php?%20do=static&page=uran-14»&HYPERLINK «http://766uptk.ru/index.php?%20 do=static&page=uran-14»page=uran-14, свободный.

5 Держанский В. Б., Тараторкин И. А. Прогнозирование динамической нагруженности гидромеханических трансмиссий транспортных машин. Екатеринбург : УрО РАН, 2010. 176 с.

6 Держанский В. Б., Тараторкин И. А. Алгоритмы управления движением транспортной машины : монография. Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. 142 с.

УДК 539.319 Т.Р. Змызгова

Курганский государственный университет

компьютерная обработка показаний реакции датчиков деформаций интегрального типа для диагностики степени усталостного повреждения деталей машин и металлоконструкций

Аннотация. Рассматривается проблема диагностики работоспособности деталей трансмиссий и несущих систем машин по показаниям датчиков деформаций интегрального типа. Изложена методика, позволяющая исследовать процесс накопления пластических деформаций в датчиках деформации интегрального типа при циклическом нагружении.

Ключевые слова: датчик деформации интегрального типа, циклическое нагружение, ресурс, металлоконструкция, микротвердость, аппроксимация, полином.