Применение методов синтеза и математического моделирования для исследования движущих систем наземных мобильных роботов
Авторы: Маслов О.А., Куванов К.Е.
ОАО «СКБ ПА», г. Ковров
Одним из эффективных способов противодействия террору, является разработка наземных мобильных роботов (МР), предназначенных для выявления и ликвидации взрывоопасных устройств (ВУ) направленных на уничтожение гражданского населения, а также на разрушение объектов.
Классификация, состав и функциональные возможности таких роботов подробно описаны в технической литературе [1], [2]. Учитывая изложенные в этих работах материалы, любой наземный МР специального назначения может быть представлен в виде совокупности трех больших систем: транспортной, рабочей и системы управления.
Транспортная система предназначена для доставки рабочего оборудования к месту проведения операции и играет решающую роль в возможности функционирования МР в недетерминированных (неорганизованных) средах (природные среды и среды, создаваемые аварийными ситуациями, как в природных условиях, так и при разрушении сред, созданных человеком). В данной статье речь пойдет о методе разработки и исследования движущих систем (ДС) транспортных средств (ТС) наземных МР предложенной специалистами ОАО “Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики” (ОАО “СКБ ПА”, г. Ковров) при содействии специалистов из НИИ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва) и ЦСТ ФСБ России.
Понятие ДС включает в себя совокупность двигательных, передаточных и исполнительных устройств, взаимодействующих друг с другом с целью обеспечения требуемых тяговых, разгонных и скоростных характеристик, а также показателей опорной и профильной проходимости ТС. Создание ДС является весьма трудоемкой задачей, требующей от разработчика анализа среды функционирования МР, предъявляемых к ТС требований, определения нагрузок действующих на элементы ДС, выбора компоновочной схемы ДС, выбора параметров элементов ДС и т.п.
Существующие методы проектирования и исследования ДС наземных ТС общего назначения в большинстве случаев базируются на упрощенных аналитических зависимостях полученных путем рассмотрения плоских моделей равновесного движения ТС (при оценке и исследовании тягово-динамических свойств машины), упрощения схем взаимодействия движителей с грунтом (при определении показателей опорной проходимости машины), исключения нелинейностей связанных с отрывом элементов движителей от опорной поверхности (при исследовании профильной проходимости и динамической устойчивости машины) и т.п. Основные недостатки таких методов заключаются в необходимости выполнения большого объема вычислительных работ без использования ЭВМ, разрозненности проводимых расчетов и неточности получаемых результатов, трудности исследования взаимного влияния параметров ДС, МР и среды его функционирования на характеристики и показатели проходимости ТС.
С целью исключения перечисленных недостатков предлагается при разработке и исследовании ДС опираться на синтез математического и имитационного моделирования. Данный подход объединяет в едином информационном пространстве связанные расчетные программы и имитационные модели, описывающие движение МР в реальных условиях работы. Упрощенная структурная схема синтеза приведена на рис.1.
Рис. 1. Упрощенная структурная схема синтеза математического и имитационного моделирования
Согласно приведенной схеме синтез математического и имитационного моделирования достигается путем функционального объединения в среде имитационного моделирования блоков формирования команд управления, моделей тяговых двигателей, трехмерных моделей механической части ДС, МР и среды его функционирования. Блоки формирования команд управления с корректирующими устройствами и моделями тяговых двигателей предварительно объединяются в среде математического моделирования (например, в Matlab, Simulink) с целью минимизации числа перекрестных связей между элементами участвующими в синтезе. Детализированные трехмерные модели движителя, трансмиссии и распределительных устройств создаются с использованием известных пакетов твердотельного моделирования (например, в Autodesk Inventor Series 10) (рис. 2). Они же используются и при создании трехмерных моделей среды функционирования МР (завалов, уклонов, эскарпов, впадин, горизонтальных участков и т.п.). Характеристики несущих поверхностей (деформативность, сопротивление касательным сдвигам, боковому срезу и т.д.), с которыми взаимодействует движитель ТС, задаются непосредственно в среде имитационного моделирования.
Рис. 2. Трехмерная модель мотор-звездочки движущей системы в среде Autodesk Inventor Series 10
Алгоритм проведения расчетных и исследовательских работ при создании ДС наземных МР с использованием синтеза математического и имитационного моделирования представлен на рис. 3.
Рис. 3. Алгоритм проведения расчетных и исследовательских работ
С блоков формирования команд управления поступают управляющие воздействия на тяговые двигатели ДС. Развиваемые двигателями моментные усилия и угловые скорости посредством блоков сопряжения передаются в среду имитационного моделирования (например, MSC.visualNastran 4D) (рис.4), где приводят в движение элементы трансмиссии, распределительные устройства и движитель ДС, конструктивно объеденные с моделью МР.
Рис. 4. Упрощенная модель тягового двигателя мотор-звездочки с блоком сопряжения
При моделировании движения МР учитываются его геометрические и конструктивные параметры (положение центра масс, массогабаритные характеристики, клиренс ТС и т.п.), характер взаимодействия его движителя с опорной поверхностью (отрыв от опорной поверхности, сцепление, скольжение, буксование, ударное воздействие и т.п.), а также его управляемость и поворачиваемость (рис.5).
Рис. 5. Преодоление МР порогового препятствия в имитационной модели
Нагрузки, действующие на исполнительные узлы ДС в среде имитационного моделирования, и сигналы обратной связи с датчиков установленных на МР поступают (посредством блоков сопряжения) на тяговые двигатели и блоки формирования команд управления ДС ТС. Знание нагрузок позволяет определять энергозатраты (влияющие на длительность непрерывной работы МР от автономных источников питания) и показатели эффективности работы ДС (характеризующие механические потери в ДС) при движении и маневрировании МР.
Надежность работы узлов и механизмов ДС при воздействии на них внутренних (обусловленных развиваемыми и передаваемыми моментными усилиями в приводах и элементах ДС) и внешних нагрузок (обусловленных взаимодействием движителя ТС с опорной поверхностью), в процессе движения и маневрирования МР, проверяется путем проведения соответствующих прочностных расчетов в среде имитационного моделирования (например, MSC.visualNastran 4D) [3] (рис.6).
Рис. 6. Прочностной расчет элементов планетарного редуктора в среде MSC.visualNastran 4D
Одним из существенных достоинств предложенного метода разработки и исследования ДС ТС наземных МР является возможность распределения задач разработки требуемых для синтеза моделей среди специалистов предприятия, что позволяет существенно сократить время расчетно-проектировочных работ при создании ДС ТС.
Таким образом, основываясь на синтезе математического и имитационного моделирования, можно с минимальными временными и материальными затратами проводить объемный анализ характеристик и показателей ТС с целью оптимизации параметров его ДС и обеспечения надежности его работы в реальных условиях эксплуатации.
Авторы статьи благодарят Русскую Промышленную Компанию (www.cad.ru) за предоставленную для тестирования Autodesk Inventor Series 10.
Демо-версию Autodesk Inventor Series 10, а также другие программные продукты Autodesk Вы можете заказать в Русской Промышленной Компании по е-mail: price@cad.ru или по телефону: (495) 744 0004.
Информация о программе, ценах, семинарах и курсах обучения, а также специальных акциях на www.cad.ru
Литература.
1. Батанов А.Ф., Грицынин С.Н., Муркин С.В. Робототехнические комплексы для обеспечения специальных операций. – Специальная техника, 1999. №6.
2. Маслов О.А. Мобильные роботы для обнаружения и уничтожения ВУ. – Специальная техника, 2005. №5.
3. Маслов О., Пузанов А., Куванов К., Платов О. Проектирование и изготовление высокопроходимых мобильных роботов специального назначения с использованием современных САПР. – CAD/CAM/CAE Observer, 2005. №2(20), 3(21).
- Комментарии