Главная Коллекция "Otherreferats" Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника Проектирование аппаратного обеспечения и разработка алгоритмов управления многозвенной робототехнической системы

Проектирование аппаратного обеспечения и разработка алгоритмов управления многозвенной робототехнической системы

Проектирование аппаратного обеспечения многозвенной робототехнической системы, передвигающейся по наклонным поверхностям. Разработка алгоритма управления. Алгоритм движения робототехнической системы. Динамическая модель и синтез законов управления.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	28.10.2018
Размер файла	483,3 K

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 681.5.015

проектирование аппаратного обеспечения и разработка алгоритмов управления многозвенной робототехнической системы

Пыркин А.А., ВЛАСОВ С.М., КРАСНОВ А.Ю., БОРИСОВ О.И., ГРОМОВ В.С., РУДЕНКО В.В.

(Университет ИТМО, Санкт-Петербург)

В статье рассматривается проектирование аппаратного обеспечения многозвенной робототехнической системы, передвигающейся по наклонным поверхностям, и разработке соответствующего алгоритма управления. Представлены все этапы проектирования: от выбора элементной базы робота до ее установки с описанием схем подключения. Разработаны алгоритмы передвижения конструкции.

Введение

В настоящее время мобильные роботы или же целые роботизированные комплексы применяются повсеместно для решения широкого круга задач. Сейчас существует большое количество научно-исследовательских институтов и коммерческих предприятий, занимающихся исследованиями и разработками мобильных роботов, одной из перспективных областей исследования являются роботы, передвигающиеся по наклонным поверхностям, так как они могут быть использованы в качестве универсальной базы, например, для транспортировки сложного оборудования, обеспечения его сохранения положения в заданном пространстве.

Обоснование выбора конструкции

Мобильные роботы в наше время применяются в промышленности и сферах, не доступных или опасных для человека, например, в условиях высокой температуры, радиации. Стоит отметить, что всё большую популярность набирают роботы, используемые в наружных отделочных работах. Это обусловлено тем, что экономическая эффективность использования роботов достигается за счёт выполнения требуемых работ на большой высоте без возведения лесов, навесов или другого рода приспособлений, а так же за счёт экономии времени самого процесса. Также стоит отметить, что такой подход с использование роботов позволяет решить вопрос о сохранении здоровья людей при работе на большой высоте[1].

Первым этапом работы является разработка конструкции шагающего многозвенного робота и его аппаратного обеспечения, с хорошей вычислительной производительностью, небольшими энергопотреблением и размерами. Основная задача, которая стояла перед данным комплексом, - возможность перемещаться по вертикальным и горизонтальным (с нижней стороны) металлическим поверхностям.

В связи с этим для решения данной задачи была выбрана шагающая конструкция с магнитами на конечностях. Данный выбор был сделан исходя из того, что в конечном роботе, в отличии от конструкций с «колесной базой с постоянными магнитами на шасси», и конструкции с «колесной базой с постоянными магнитами, встроенными в колеса», вся электроника из-за архитектуры построения системы находится в гораздо более слабом магнитном поле. Но стоит отметить, что выбранный вариант построения робота, по сравнению с аналогами имеет усложнённую систему управления, но тогда упрощается позиционирование робототехнического комплекса. Неиспользование вакуумных присосок (или их аналогов) обуславливается тем, что требуется установка дополнительного оборудования, которое занимает много места и требует дополнительных энергозатрат.

В разработке использовались части конструктора BioLoid фирмы Robotis. В качестве двигателей были взяты из этого конструктора сервоприводы Dynamixal AX-12A, соединённые парами, как показано на рис 1.

Рис. 1. Варианты соединения сервоприводов

Конструкция представляет из себя робота с четырьмя конечностями по 2 двигателя на конечность. На данном этапе разработки системы управления, робот не имеет возможности поднимать конечности.

Алгоритм движения робототехнической системы

Основные управляющие команды сервопривода: установка максимальной мощности, установка скорости вращения, установка позиции. Основные статусные параметры: текущее положение, текущая нагрузка, текущая скорость, текущее напряжение.

Соответственно разработан следующий алгоритм.

Шаг 1. Устанавливается максимальная мощность на всех приводах.

Шаг 2. Устанавливается скорость вращения на всех приводах.

Шаг 3. Сервоприводы устанавливаются в начальное положение, включаются магниты.

Шаг 4. Устанавливается положение для движения на нужных приводах, отключаются соответствующие магниты.

Шаг 5. Проверяется, достиг ли привод заданного положения, как только достиг, включаются магниты.

Шаг 6. Повторяются пункты 4-5 до достижения роботом заданной точки.

Разработка аппаратного обеспечения

На роботе имеется 4 магнита и 8 сервоприводов, подключаемых последовательно по 3м проводам: питание (+), земля (-) и управление, Рис. 2.

Рис. 2. последовательное подключение сервоприводов и элемента управления

В качестве вычислительного элемента установлен микроконтроллер фирмы Atmel - ATmega32u4. Для управления сервоприводами используются реле, привода подключаются по 3м проводам: питание (+), земля (-) и управление.

Управление ведётся по последовательному интерфейсу типа UART в полудуплексном режиме. Для того, что бы микроконтроллер имел возможность управлять приводами, была собрана схема согласования, представленная на Рис. 3.

Рисунок 3 - схема согласования для управления сервоприводами

Рисунок 4 - печатные платы для управления магнитами и основной вычислительный элемент.

Связь между вычислительным микроконтроллером и сервоприводом происходит за счет отправки микроконтроллером пакета данных с командой, а сервопривод в ответ присылает пакет данных состояния. Каждый сервопривод имеет свой идентификатор, по которому он отзывается на запросы. Пакет данных с командой для сервопривода имеет следующий формат:

«0xFF > 0xFF > ID > Длинна сообщения > Команда > Параметр1>…> ПараметрN > Проверочная сумма»

Пакет данных с состояние сервопривода имеет такой же вид, за исключением поля команда, вместо этого передается поле «Ошибка».

Упрощённая динамическая модель и синтез законов управления

Рассмотрим упрощённую динамическую модель шагающего робота. Предполагаем, что значения моментов инерции и массы ног робота пренебрежимо малы. Таким образом, мы можем использовать уравнения движения твёрдого тела для описания движения робота. Прежде всего, нам необходимо выразить моменты сил ??_???? , приложенные к шарнирам ног, как функции равнодействующей силы ?? и равнодействующего момента ?? , приложенных к корпусу робота. Для этого запишем кинематические уравнения и применим метод виртуальных перемещений Д'Аламбера. Пусть координаты -й ноги робота определены как функция обобщённых координат . Явный вид данного соотношения может быть получен при помощи однородных преобразований.

Применяя принцип Д'Аламбера, получим выражение для равнодействующей силы и момента относительно системы координат робота:

, (1)

где ??_???? - момент силы, приложенный к -му звену ??-й ноги робота; ??_?? - сила, приложенная к ??-й ноге робота в системе координат робота.

Подставляя выражения для вариации координат, получим:

(2)

Учитывая, что принцип Д'Аламбера справедлив для любых малых вариаций ????_????, получим следующее соотношение:

(3)

(4)

(5)

Выражаем приложенный к -й ноге момент:

(6)

где знак Ч обозначает векторное произведение.

Равнодействующая сила и равнодействующий момент, приложенные к корпусу робота, представляют собой сумму сил:

(7)

(8)

Выражение (7) представляет собой систему из 6 линейных алгебраических уравнений с 18-ю неизвестными ?????? . Чтобы система имела единственное решение необходимо наложить дополнительные ограничения. Если при ходьбе робота в каждый момент времени 2 ноги опираются на поверхность и точки соприкосновения с поверхностью не лежат на одной прямой, то (7) имеет единственное решение. При некоторых типах ходьбы уравнение (7) может не иметь решений. В этом случае система представляет собой неполноприводную механическую систему.

В зависимости от количества уравнений связи задача управления роботом может сводиться к задаче управления полноприводной, сверхприводной, или неполноприводной системой. Рассмотрим случай, при котором уравнение (7) имеет единственное решение. В этом случае задача управления роботом может быть сведена к задаче управления ориентацией и линейной скоростью твёрдого тела в пространстве, к которому приложена сила ?? и момент ?? .

Пусть задана система координат ???? с началом в точке ?? и ортами ??₁, ??₂, ??₃; неподвижная система координат ???? с началом в точке ?? и ортами ??₁, ??₂, ??₃. Точка ?? совпадает с центром инерции робота. Вектор ?? определяет координаты ?? в системе ????. Желаемая ориентация робота задана системой координат ???? с началом в точке ?? и ортами ??₁, ??₂, ??₃. Система координат ???? вводится аналогичным образом. Ориентация ???? относительно ???? задана нормализованным кватернионом Ц; ориентация ???? относительно ???? - кватернионом Ш. Скорость точки ?? в ???? обозначим ?? = . Необходимо, чтобы ориентация робота ???? сходилась к желаемой ориентации ???? и скорость движения ?? = сходилась к скорости ??_??????.

Движение робота может быть описано следующей системой дифференциальных уравнений

(9)

где ?? ? R^3Ч1 - момент, развиваемый ногами робота в системе координат ????, ?? ? R^3Ч3 - тензор инерции робота в ???? (в силу того, что моменты инерции ног робота малы, ?? рассматриваем как константу), ?? - скорость центра масс робота в ????, ?? - сила, развиваемая ногами робота, задана в ????, ?? - масса робота, ?? - угловая скорость робота в ????, ?? = (0, 0, ??) - вектор ускорения свободного падения.

Предлагается закон управления:

(10)

(11)

где ??₁, ??₂, ??₃ > 0, `' означает сопряжение кватерниона, ? - произведение, кватернионов,

функция sgn (??) определена как:

(12)

и доказывается асимптотическая устойчивость замкнутой системы (10), (9). Закон управления (10) интересен тем, что не зависит от матрицы инерции ??.

аппаратный робототехнический управление алгоритм

Заключение

Таким образом, была спроектирована и разработана мобильная многозвенная робототехническая система, передвигающаяся по наклонным поверхностям, с хорошей вычислительной производительностью, небольшими энергопотреблением и размерами. Представлены все этапы проектирования, от выбора элементной базы роботехнической системы до ее установки с описанием схем подключения. Была приведена упрощённая математическая модель, синтезированы законы управления для мобильного робота.

Литература

1. K. Berns Climbing Robots for Commercial Applications // 6^th International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR), - 2003, - P. 771-776

Размещено на Allbest.ru

статья "Проектирование аппаратного обеспечения и разработка алгоритмов управления многозвенной робототехнической системы" скачать

Подобные документы

Разработка контроллера управления робототехнической системы
Разработка контроллера управления цифровой частью системы, перечень выполняемых команд. Описание алгоритма работы устройства, его структурная организация. Синтез принципиальной электрической схемы, особенности аппаратных затрат и потребляемой мощности.

курсовая работа [318,8 K], добавлен 14.06.2011
Проектирование микропроцессорной системы управления (МКС)
Описание алгоритма работы и разработка структурной схемы микропроцессорной системы управления. Разработка принципиальной схемы. Подключение микроконтроллера, ввод цифровых и аналоговых сигналов. Разработка блок-схемы алгоритма главной программы.

курсовая работа [3,3 M], добавлен 26.06.2016
Проектирование автоматизированной системы расчётов на микропроцессорных элементах
Рассмотрение основ структурной схемы системы автоматизации. Выбор исполнительных и задающих элементов, микропроцессорного элемента управления. Расчет нагрузочных характеристик. Составление алгоритма управления и написание программного обеспечения.

курсовая работа [711,4 K], добавлен 06.10.2014
Электромеханическая система управления мощного объекта
Расчет и проектирование системы управления антенной радиолокационной станции. Построение структурной схемы по функциональной cхеме, техническим характеристикам функциональных элементов и требованиям к системе управления. Синтез вычислительного алгоритма.

курсовая работа [721,1 K], добавлен 11.02.2016
Проектирование микропроцессорной системы
Разработка микропроцессорной системы управления технологическим объектом. Выбор и расчет элементов системы, разработка ее программного обеспечения. Составление структурных, функциональных и принципиальных схем микроконтроллеров семейства MCS-51.

курсовая работа [579,0 K], добавлен 20.09.2012
Базовые механизмы управления шагающим роботом
Разработка конструкции исполнительных механизмов платформы шагающего робота. Разработка универсальных контроллеров и системы управления высокого уровня. Проектирование базовых алгоритмов управления, обеспечивающих автономное и супервизорное управление.

дипломная работа [6,3 M], добавлен 07.07.2012
Разработка системы ТУ-ТС
Разработка и проектирование телемеханической системы. Проведение анализа помехоустойчивости системы, проектирование линии передач. Осуществлен синтез цифровых автоматов. Проектирование линейного окончания приемопередающей аппаратуры системы ТУ-ТС.

контрольная работа [261,7 K], добавлен 11.07.2013
Микропроцессорная система управления скоростью вращения двигателя постоянного тока
Разработка структурной функциональной схемы устройства, его аппаратного обеспечения: выбор микроконтроллера, внешней памяти программ, устройства индикации, IGBT транзистора и драйвера IGBT, стабилизатора напряжения. Разработка программного обеспечения.

курсовая работа [495,1 K], добавлен 23.09.2011
Разработка экстремальной системы управления шаговым двигателем
Структурная и функциональная схема управления исполнительными устройствами на базе шагового двигателя. Проектирование принципиальной схемы управления шаговым двигателем, описание ее работы и входящих в нее устройств. Составление алгоритма работы системы.

курсовая работа [613,8 K], добавлен 22.09.2012
Разработка автоматической системы управления железнодорожным переездом
Разработка устройства-системы автоматического управления, которая отвечает за безопасность движения транспорта через железнодорожный переезд. Разработка схемы системы управления, описание программного кода, использование микроконтроллера PIC16F84A.

курсовая работа [1,3 M], добавлен 10.12.2012

Другие документы, подобные "Проектирование аппаратного обеспечения и разработка алгоритмов управления многозвенной робототехнической системы"

весь список подобных работ

скачать работу можно здесь

сколько стоит заказать работу?

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.