WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

ФАРХАТДИНОВ ИЛЬДАР ГАЛИМХАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ

МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВЫХ

АЛГОРИТМОВ ДЛЯ КАНАЛА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ СИСТЕМ

ДВУСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность: 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата наук

Москва 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель д.т.н., профессор Подураев Ю. В.

Официальные оппоненты д.т.н., профессор Еленев С. А.

ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», к.т.н., Польский В. А.

ГОУ ВПО МГТУ им. Н. Э. Баумана

Ведущая организация «Центральный научно-исследовательский технологический институт»

(ОАО «ЦНИТИ») (г. Москва)

Защита состоится _ 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направить ученому секретарю совета по указанному выше адресу.

Автореферат разослан «_»_ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.142.01, кандидат технических наук Волосова М. А.

1

Общая характеристика работы

Актуальность. Системы двустороннего управления широко применяются в дистанционном управлении копирующими манипуляторами. Существует множество публикаций, посвященных теоретическим и практическим аспектам разработки и применения систем дистанционного управления манипуляторами. Однако в отечественной литературе практически отсутствуют исследования, посвященные дистанционному управлению мобильными роботами с применением систем двустороннего действия.





Поэтому важным предметом для исследования является построение алгоритмов вычисления усилий для систем двустороннего действия при дистанционном управлении мобильными роботами. Дистанционное управление мобильными роботами находит свое применение во многих отраслях экономики. При дистанционном управлении мобильными роботами основным каналом обратной связи, как правило, является визуальный. Однако могут возникать ситуации, в которых визуальная информация мало информативна ввиду специфики выполняемых роботом операций и/или визуальная информация передается человеку-оператору с искажениями. В таких случаях необходимо иметь альтернативные каналы обратной связи, например, силовые человеко-машинные интерфейсы. Поэтому применение систем отражения усилий для дистанционного управления мобильными роботами может существенно повысить качество управления и обеспечить человека-оператора удобным интерфейсом взаимодействия с роботом.

Целью исследования является повышение точности и качества управления движением дистанционно управляемых мобильных роботов при выполнении операций в средах с высокой плотностью окружающих объектов.

Задачи работы:

1. Анализ специфики операций и формирование требований к системе дистанционного управления мобильным роботом в средах с высокой плотностью окружающих объектов.

2. Разработка позиционно-силовых алгоритмов для канала обратной связи системы дистанционного управления мобильным роботом.

3. Построение математической модели и выполнение компьютерного моделирования.

4. Экспериментальное исследование позиционно-силовых алгоритмов в канале обратной связи системы дистанционного управления мобильным роботом.

Методы исследования. В работе использованы методы классической теории линейных систем автоматического управления, метод функций Ляпунова для анализа устойчивости нелинейных систем, методы численного моделирования динамических систем. Использован системный подход к исследованию системы дистанционного управления мобильным роботом, как целостного объекта.

Научная новизна работы заключается:

- в структуре робототехнической системы дистанционного управления мобильным роботом, включающей в себя канал силовой обратной связи, отражаемой человеку-оператору, на основании расстояния от мобильного робота до объектов внешней среды.

- в позиционно-силовом алгоритме канала обратной связи для систем двустороннего действия дистанционно управляемых мобильных роботов, основанном на дозировании отражаемых человеку-оператору усилий на основании скорости движения мобильного робота.

- в математической модели системы дистанционного управления мобильным роботом с предложенным позиционно-силовым алгоритмом канала обратной связи.

- в анализе устойчивости системы с каналом обратной связи по силе и определении областей допустимых значений коэффициентов обратной связи для обеспечения стабильной работы системы.

- в определении влияния позиционно-силовых каналов обратной связи на точность и качество управления движением мобильного робота путем проведения экспериментальных исследований и компьютерного моделирования.





Практическая ценность:

1. Построенный позиционно-силовой алгоритм позволяет повысить точность и безопасность дистанционного управления мобильным роботом.

2. Определены требования, предъявляемые к разработке позиционносило-вых алгоритмов каналов обратной связи в системах дистанционного управления мобильными роботами.

3. Разработана математическая модель системы в среде MATLAB, являющаяся эффективным средством компьютерного моделирования для исследования динамических характеристик системы управления.

Реализация работы. В результате исследования была построена экспериментальная установка для дистанционного управления мобильным роботом с позиционно-силовым каналом обратной связи. Построенная установка применяется для дальнейших исследований в робототехнической лаборатории Корейского университета технологии и образования.

Апробация работы. Результаты докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научных форумах:

- Международной научной конференции “IEEE/RSJ Intelligent robots and systems 2010” (IEEE/RSJ IROS 2010), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и японским робототехническим обществом (RSJ), 2010 год, Тайпей, Тайвань.

- Международной научной конференции “Eurohaptics 2010,” организованной европейским обществом по тактильным интерфейсам, 2010 год, Амстердам, Нидерланды.

- Международном научном симпозиуме “IEEE Haptics symposium 2010,” организованном Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), 2010 год, Бостон, США.

- Международной научной конференции “IEEE Computational intelligence in robotics and automation 2009” (IEEE CIRA 2009), организованном Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), 2009 год, Тэджон, Южная Корея.

- Международной научной конференции “IEEE/ASME Advanced intelligent mechatronics 2008” (IEEE/ASME AIM 2008), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и американским обществом инженеров-механиков (ASME), 2008 год, Сиан, Китай.

- Семнадцатом всемирном конгрессе международной федерации по автоматическому управлению (IFAC World Congress 2008), 2008 год, Сеул, Южная Корея.

- Международной научной конференции “International Conference on Control, Automation and Systems 2007” (IEEE/ICROS ICCAS 2007), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Институтом управления, робототехники и систем (ICROS), 2007 год, Сеул, Южная Корея.

- Научных семинарах на кафедре “Робототехника и мехатроника”, МГТУ “СТАНКИН”.

- Научных семинарах в лаборатории Био-роботехники в Корейском технологическом университете, Чхонан, Южная Корея.

Результаты работы были отмечены на международном научном симпозиуме “IEEE Haptics symposium 2010,” организованном Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), дипломом за лучший доклад.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в виде статей в научных рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, в виде статей в сборниках международных рецензируемых научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 1 таблицу и список литературы, включающий наименований.

2 Содержание работы В первой главе кратко описывается система дистанционного управления мобильным роботом. На рис. 1 представлен общий вид такой системы.

Рис. 1: Схема системы двустороннего дистанционного управления мобильным роботом Человек-операторf управляет мобильным роботом посредством изменения ства измеряют положение рукоятки, и измеренные величины передаются по каналам связи в систему управления мобильным роботом. Бортовая систезадающее мобильный ма управления мобильного робот устройство робота воспринимает полученные величины как значения желаемых линейной и угловой скоростей мобильного робота. Контроллер скорости мобильного робота осуществляет слежение за желаемыми скоростями робота, что приводит к реализации движения по некоторой траектории.

Далее приводится обзор человеко-машинных интерфейсов, применяемых в системах дистанционного управления мобильными роботами. Целью обзора литературы является ознакомление с известными человекомашинными интерфейсами и их ролью в системах дистанционного управления мобильными роботами. Формулируются требования к разработке алгоритмов для силовых человеко-машинных интерфейсов. Целью применения силовых человеко-машинных интерфейсов в системах дистанционного управления мобильными роботами является повышение информированности человека-оператора о состоянии удаленной среды и мобильной робототехнической системы, улучшение эргономики процесса управления и повышения качества выполнения поставленных задач. Например, силовая информация может быть использована для отображения оператору информации о наличии препятствий на пути робота так, как это показано на рис. 1.

Направление отражаемой оператору силы будет противоположно направлению от мобильного робота до препятствия, а величина силы, будет соответствовать расстоянию от мобильного робота до препятствия по некоторому заранее определенному закону. В таких системах человек-оператор должен обладать достаточным объемом информации для успешного выполнения запланированных работ, при этом важно не перегружать человека избыточными либо не актуальными потоками данных, так как это может привести к повышенной утомляемости и усталости, что может повлечь за собой ошибки при задачи команд управления движением робота. Ниже сформированы наиболее важные требования и случаи применения силовой обратной связи в системах дистанционного управления мобильными роботами.

Обеспечение информации об окружении мобильного робота.

Силовая обратная связь может быть использована для отображения человекуоператору информации об окружении мобильного робота в удаленной среде.

Безопасное движение без столкновений с объектами удаленной среды. Для обеспечения движения мобильного робота без столкновений необходимо построить позиционно-силовой алгоритм канала обратной связи системы дистанционного управления, который воспроизводит усилия на задающем устройстве, препятствующие движению мобильного робота в сторону потенциально опасного объекта. При этом сила, генерируемая на задающем устройстве, должна возрастать с уменьшением расстояния до объекта, к которому приближается мобильный робот.

Точное выполнение технологических и исследовательских операций вблизи объектов удаленной среды без столкновений. Часто для выполнения технологических и исследовательских операций человекуоператору необходимо иметь возможность точно управлять положением и ориентацией мобильного робота вблизи объектов удаленной среды. При этом важно, чтобы мобильный робот осуществлял движение без столкновений с объектами среды, но при этом силы, воспроизводимые на задающем устройстве, не играли роль помех, искажающих команды задаваемые оператором на задающем устройстве.

Обеспечение безопасных маневров мобильного робота при поворотах и движении назад. Необходимо использовать позиционно-силовые алгоритмы, помогающие человеку-оператору правильно воспринимать пространство вокруг робота и задавать правильные и безопасные команды для маневров в отсутствии визуальной информации.

Обеспечение достаточно точного движения мобильного робота относительно объектов среды. Наличие силовой обратной связи, основанной на измерении расстояний до объектов среды, должно позволять человеку-оператору осуществлять с достаточной степенью точности перемещение мобильного робота вдоль заданного объекта. Это может быть полезно при перемещении в узких пространствах, когда необходимо переro = const Рис. 2: Линейная модель отражения усилий на основании расстояний до препятствий (а). Величина коэффициента обратной связи по силе зависит от производной по времени dr/dt (b).

мещаться на одинаковом расстоянии от стен слева и справа от корпуса мобильного робота.

Во второй главе описано построение позиционно-силовых алгоритмов для каналов обратной систем дистанционного управления мобильными роботами. В первой части главы описан линейный метод расчета и отражения усилий, основанный на линейной зависимости от расстояния между мобильным роботом и препятствием. На рис. 2 показана схема линейного алгоритма вычисления усилий, который заключается в линейной зависимости отражаемой человеку-оператору на задающем устройстве силы f от пройденного мобильным роботом расстояния y в некоторой зоне вблизи препятствия:

где k - коэффициент силовой обратной связи.

Однако экспериментальное исследование показало использование линейной системы отражения усилий отрицательно сказывается на точности управления положением мобильного робота. В системе дистанционного управления мобильным роботом с отражением усилий от препятствий на пути мобильного робота отраженные усилия искажают усилия человекаоператора на задающем устройстве. Отраженные усилия могут вносить нежелаемые изменения в команды скорости/положения, задаваемые оператором. В результате мобильный робот движется по траектории, отличающейся от желаемой.

Во второй части главы предложен новый алгоритм расчета отражаемых усилий, основанный на одновременном учете расстояния до препятствия и скорости сближения мобильного робота с препятствиями. Предложенный алгоритм подразумевает пропорциональное изменение коэффициента обратной связи k по силе на основании скорости мобильного робота относительно препятствий в удаленной среде. Если мобильный робот движется с высокой скоростью, то возможность столкновения с препятствиями увеличивается. Поэтому при дистанционном управление мобильным роботом на высоких скоростях важно отражать усилия с большими амплитудами. В большинстве случаев точного дистанционного управления мобильным роботом движения реализуются на малых скоростях. В таких случаях возможность столкновения мобильного робота с препятствиями низкая ввиду малых скоростей движения. Поэтому в системах точного дистанционного управления мобильными роботами при движении на малых скоростях важно ограничивать амплитуды отражаемых усилий для уменьшения влияния системы отражения усилий на точность управления мобильным роботом.

Поэтому важно осуществлять регулирование коэффициента обратной связи по силе в зависимости от измеренных расстояний между мобильным роботом и препятствиями, а также в зависимости от скорости сближения или удаления мобильного робота от препятствий. Следующая формула описывает закон для вычисления переменного коэффициента отражения усилий на основании измеренных расстояния и скорости. Жесткость k в (1) вычисляется на основании расстояний до препятствий r и их производных dr/dt.

где kmin и kmax - минимальное и максимальное значения коэффициента обратной связи, - контрольное значение скорости мобильного робота относительно препятствий. На рис. 2b графически представлена формула (2).

Если производная измеренного расстояния между мобильным роботом и препятствием положительная, то это означает, что мобильный робот удаляется от препятствия. В этом случае соответствующее усилие отражается на задающем устройстве с минимальным коэффициентом обратной связи.

Если dr/dt меньше, то это означает, что мобильный робот приближается к препятствию со скоростью, превышающей. Такую ситуацию мы считаем потенциально опасной, и поэтому соответствующее усилие на задающем устройстве будет отражено с максимальным коэффициентом обратной связи. Если значение dr/dt лежит в промежутке от до 0, то коэффициент обратной связи будет в прямо пропорциональной зависимости от dr/dt.

В третьей главе описана математическая модель системы. Описаны математические модели активного задающего устройства, колесного мобильного робота, человека-оператора, а также описаны функциональные связи между блоками системы дистанционного управления. Проведен анализ устойчивости построенной математической модели при помощи методов Гурвица, Ляпунова и методом построения фазовых траекторий.

На рис. 3 показаны конфигурации задающего устройства (a) и мобильного робота (b). Управляющие сигналы формируются на основании измеренного положения задающего устройства (xm, zm ). На рис. 3(b) V - скорость мобильного робота, - угол поворота, отчитываемый от фиксированной системы координат. На мобильном роботе помимо датчиков положения на приводах колес, могут быть также установлены системы измерения расстояния от корпуса робота до объектов, окружающих робот. Расстояние до препятствий, измеренное датчиками, пересылается на пульт управления и отображается человеку-оператору посредством отражения силы на активном задающем устройстве. В рассматриваемой системе дистанционного управления мобильным роботом также предполагается наличие видеокамер и мониторов, которые позволяют человеку-оператору получать видеосигналы из удаленной среды.

В системах дистанционного управления мобильными роботами в большинстве случаев используется режим управления по скорости. В данном режиме управления положение задающего устройства определяет желаемую скорость мобильного робота. Такой режим управления кратко описывается следую- Рис. 3: Схема задающего устройства (а) и щим выражением:

где kV и kw - коэффициенты масштабирования.

Рассмотрим модель системы дистанционного управления мобильным роботом с отражением усилий на основании измеренного расстояния между роботом и объектами среды. Для начала будем считать коэффициент обратной связи по силе постоянным. В структуре модели имеем три объекта:

модель руки человека-оператора, модель активного задающего устройства и модель мобильного робота. Линейная динамика руки человека-оператора, задающего устройства и мобильного робота может быть записана в следующем виде:

где mh, bh, kh - масса, коэффициент вязкого трения и упругость руки оператора; mm, bm, km - масса, коэффициент вязкого трения и упругость механизмов задающего устройства, соответственно; xm - положение задающего устройства; h - сила, вызванная работой мышц руки оператора; m сила, развиваемая двигателем задающего устройства и отражаемая оператору; mr, br - масса, коэффициент вязкого трения мобильного робота; kp пропорциональный коэффициент регулятора скорости мобильного робота;

kV - коэффициент пропорциональности между положением на задающем устройстве и скоростью мобильного робота; y ro xo + xr, где xr - положение мобильного робота, xo - положение препятствия, ro - фиксированное расстояние, определяющее зону вокруг препятствия, внутри которой происходит генерация отражаемых усилий (рис. 2). Отражаемое усилие m вычисляется по формуле (1), где ke k.

Далее будем рассматривать устойчивость подсистемы с контуром обратной связи по силе. Для этого исследуем автономную систему (h = 0).

Введем пространство состояний:

Получим линейную систему Критерий Гурвица для системы (6) определяет следующий диапазон устойчивости для значений коэффициента обратной связи ke :

Далее рассмотрим модель дистанционного управления, в которой будем пренебрегать динамикой мобильного робота. Будем считать, что управление скоростью мобильного робота осуществляется идеально, и динамическая ошибка управления по скорости пренебрежимо мала. Тогда система (6) может быть переписана в виде одного уравнения:

Введем новое пространство состояний:

Тогда, уравнения состояния динамики системы запишутся в виде:

Критерий Гурвица определяет следующий диапазон устойчивости для коэффициента ke :

В результате получено два условия устойчивости (7) и (11), определяющих допустимые значения для коэффициента ke. Однако системы (6) и (10) не являются в полной мере линейными системами, так как отражение усилий происходит только когда мобильный робот находится внутри зоны препятствия согласно определению (1). Поэтому использование метода Гурвица не является абсолютно корректным. Тем не менее полученные условия устойчивости позволяют определить параметры системы, которые непосредственно ограничивают значения коэффициента отражения усилий ke. Согласно (7) и (11), можно сказать, что максимально допустимое значение коэффициента ke пропорционально упругости задающего устройства km и обратно пропорционально коэффициенту масштабирования kV.

Для более полного исследования устойчивости системы с применением нелинейного позиционно-силового алгоритма (2) использован метод Ляпунова. Для анализа устойчивости будем считать, что препятствия являются стационарными объектами, тогда коэффициент обратной связи будет зависеть только от собственной скорости мобильного робота dxr /dt = dr/dt.

Обозначим kmax и будем считать kmin = 0, т. е. усилия не будут отражаться в случае, если мобильный робот удаляется от препятствия. Система третьего порядка (10) для переменного коэффициента ke будет записана в Проинтегрируем z3 по времени: z3 = система (12) преобразуется в систему второго порядка:

С учетом того, что z1 по физическому смыслу является расстоянием от мобильного робота до препятствия, выберем следующую функцию Ляпунова и покажем, что ее производная по времени будет отрицательной независимо от параметров системы:

Отрицательность производной говорит о том, что система (13) является устойчивой по Ляпунову. Для подтверждения полученных аналитических результатов проведено численное исследование моделей методом построения фазовых траекторий. Модель мобильного робота была неподвижна и находилась на расстоянии 1 м от препятствия. Задающее устройство было отклонено на 10 см, что впоследствии приводило мобильный робот в движение в сторону препятствия, в результате чего на задающем устройстве отражались усилия. Во всех случаях были построены семейства фазовых траекторий, которые соответствовали различным коэффициентами обратной связи ke для линейного случая (ke изменялся от 0 до 20 Н/м с шагом Н/м). Для нелинейного случая семейства траекторий соответствовали различным значениям коэффициента (коэффициент изменялся от 0 до 7 Нм/с). Для численного построения фазовых траекторий использовались следующие значения параметров: mh = 2 кг, bh = 2 Нс/м, kh = 10 Н/м, mm = 1 кг, bm = 0.05 Нс/м, km = 10 Н/м, kV = 0.3 c1, Cs = 30 Нс/м, ms = 20 кг, bs = 1 Нс/м, Ch = 7 Н/м, xobst = 1.2 м, xdes = 1.1 м, ro = 1 м.

На рис. 4 показаны семейства траекторий для модели четвертого порядка с постоянным (4а и 4б) и переменными (4в и 4г) коэффициентами отражения усилий. Как видно из рис. 4а, в случае постоянного коэффициента ke задающее устройство, имеющее ненулевое начальное положение, возвращается в нулевое положение, в то время как мобильный робот перемещается из начального положения в некоторое положение, вне области активации системы отражения усилий, и в результате удаляется от препятствия (рис. 4б).

Конечное положение мобильного робота зависит от величины коэффициента ke. Чем больше ke, тем дальше робот удаляется от препятствия, так как большое значение коэффициента ke приводит к большим отклонениям рукоятки задающего устройства, что приводит к большим значениям скорости мобильного робота. Полученные фазовые траектории являются ограниченными, скорости задающего устройства и мобильного робота сходятся в ноль, что говорит об устойчивости системы в целом в независимости от коэффициента отражения усилий. Аналогичное можно сказать о семействе фазовых траекторий для системы четвертого порядка с переменным коэффициентом обратной связи (рис. 4в, 4г). Важно отметить, что максимальные отклонения положений и скоростей задающего устройства и мобильного робота существенно меньше в случае переменного коэффициента обратной связи по силе, что говорит о более устойчивом характере поведения системы. Аналогичные результаты были получены для фазовых траекторий систем (12) и (13).

Исследование показало, что система является устойчивой вне зависимости от значения коэффициента обратной связи. Это объясняется тем, что в рассматриваемой системе отражение усилий происходит только в случае, когда мобильный робот находится внутри зоны препятствия. В противном случае движение рукоятки задающего устройства определяется его собственной динамикой (в отсутствии приложенных оператором усилий), а именно задающее устройство возвращается в нулевое положение (ввиду наличия упругости и сил Рис. 4: Семейства фазовых траекторий трения). При этом скорость мобиль- для модели четвертого порядка.

ного робота стремится к нулю благодаря силам трения и нулевой желаемой скорости. Единственным требованием определяющим устойчивость системы является направление отражаемых усилий: сила, отражаемая на задающем устройстве, должна перемещать рукоятку устройства в сторону уменьшения скорости сближения мобильного робота с препятствием.

В четвертой главе приводятся результаты моделирования и экспериментального исследования роли канала обратной связи по силе в системе дистанционного управления мобильным роботом.

При компьютерном моделировании системы дистанционного управления мобильным роботом человеку-оператору была поставлена задача по перемещению мобильного робота в заданное положение xdes. Для этого система (6), была дополнительно замкнута по положению мобильного робота с регулятором по ошибке положения в прямом канале управления Ch, который представлял собой простейшую модель отслеживания положения робота человеком-оператором. При моделировании использовались следующие значения параметров: mh = 2 кг, bh = 2 Нс/м, kh = 10 Н/м, mm = кг, bm = 0.05 Нс/м, kV = 0.3 с1, Cs = 30 Нс/м, ms = 20 кг, bs = 1 Нс/м, Ch = 7 Н/м, xobst = 1.2 м, xdes = 1.1 м, ro = 0.5 м. Результаты моделирования представлены на рис. 5. В первом случае (k = 0), мобильный робот был перемещен в желаемое положение около препятствия. При этом человек-оператор не получал никакой силовой информации о наличии препятствия на пути робота. Отсутствие такой информации может привести к столкновению мобильного робота с объектами удаленной среды, что может нарушить стабильную работу всей системы в целом. В случае, когда k = 20, человек-оператор получал информацию о приближающемся препятствии на пути мобильного робота посредством воспроизведения соответствующего усилия на активном задающем устройстве. При этом величины отражаемых усилий были слишком велики, что не позволило оператору довести мобильный робот до желаемого положения и поэтому робот остановился в положении около 0.4 м. Аналогичные результаты были получены в случае, когда k = 26, при этом система перешла из устойчивого состояние в неустойчивое состояние. Также были проанализированы физические нагрузки и механическая работа, выполняемая человеком-оператором (мышцами руки). Была вычислена средняя по времени для различных значений коэффициентов обратной связи по силе. Средняя сила составила 1.51 Н для k=0 Н/м, 5.80 Н для k=20 Н/м и 6.10 Н для k=26 Н/м.

Как видно из результатов моделирования, наличие системы отражения усилий предотвращает столкновение мобильного робота с объектами удаленной среды. Однако, применение систем отражения с высокими коэффициентами отражения усилия сказывается негативно на задачах точного управления положением мобильного робота в удаленных средах с большим количеством препятствий. Человек-оператор не имел возможности поместить мобильный робот в зону около препятствия из-за высокого значения обратной связи по усилию. Основываясь на этом, мы предполагаем, что можно улучшить качество управления положением мобильного робота путем вариации коэффициента обратной связи непосредственно в процессе дистанционного управления (так, как это было предложено выше).

В последней колонке рис. 5 представлены результаты моделирования дистанционного управления мобильным роботом с переменным коэффициентом обратной связи, который вычислялся согласно формуле (2). При моделировании = 2.5 м/с, kmax = 20 Н/м, kmin = 0 Н/м. Мобильный робот был успешно перемещен в заданное положение удаленного пространства.

При приближении мобильного робота к желаемому положению скорость робота уменьшалась, и поэтому по формуле (2) коэффициент обратной свяРис. 5: Результаты моделирования дистанционного управления с постоянным и переменным коэффициентом обратной связи по силе.

зи k уменьшался вместе со скоростью мобильного робота. В результате, человеку-оператору было легче переместить в робот в заданное положение. Средняя сила, развиваемая оператором при переменном коэффициенте, составила 1.70 Н. Механическая работа, затраченная человеком была значительно меньше. Для более полного исследования влияния системы отражения усилий с переменным коэффициентом обратной связи на качество управления были проведены эксперименты по дистанционному управлению мобильным роботом Pioneer 3DX. Управление роботом осуществлялось при помощи активного задающего устройства Phantom Premium 1.5A. Скорость мобильного робота линейно зависела от текущего положения рукоятки задающего устройства. Для измерения расстояния от мобильного робота до препятствий и объектов удаленной среды были использованы шесть ультразвуковых датчиков, закрепленных на по периметру корпуса робота. Следующие значения параметров были использованы во всех экспериментах:

kmin = 0.0001 Н/мм, kmax = 0.02 Н/мм, = 50 мм/с, Ro = 2 м.

Было проведено экспериментальное исследование по дистанционному управлению мобильным роботом, помещенным в ограниченное пространство типа "коридор". Человеку-оператору была поставлена задача перемещения мобильного робота внутри узкого пространства из начальной точки в конечную с минимальным количеством столкновений со стенами коридора.

При этом человек-оператор не имел прямой визуальной связи с мобильным роботом, а мог только наблюдать изображение с видеокамеры, установленной на платформе мобильного робота и направленной вперед. Пять человек приняло участие в эксперименте. Каждый оператор осуществлял дистанционное управление роботом при использовании постоянного и предложенного нами переменного коэффициента обратной связи. На рис. 6a и рис. 6b представлены измеренные траектории движения мобильного робота при использовании постоянного и переменного коэффициента обратной связи. При сравнении полученных траекторий движения робота видно, что Рис. 6: Экспериментальные результаты: траектории мобильного робота с постоянным коэффициентом обратной связи по силе (a) и переменным коэффициентом обратной связи по силе (b); время на выполнение задачи (с); ошибка позиционирования (d).

при переменном коэффициенте обратной связи траектории более плавные и гладкие, чем при постоянном коэффициенте. Траектории робота при экспериментах с переменным коэффициентом обратной связи во многом подобны друг другу, в то время как при постоянном коэффициенте траектории были хаотичны и беспорядочны.

В эксперименте в обоих случаях благодаря наличию системы отражения усилий не было зафиксировано столкновений мобильного робота с со стенами коридора. Тем не менее, качество дистанционного управления было значительно лучше при применении переменного коэффициента обратной связи по силе. При управлении с постоянным коэффициентом человекуоператору отражались большие усилия, так как расстояние между роботом и стенами среды было относительно маленьким. Высокие значения усилий играли роль возмущений при дистанционном управлении, что негативно сказывалось на качестве управления положением мобильного робота. Внезапные усилия, генерируемые задающим устройством, приводили к резкому изменению положению рукоятки устройства, в результате чего резко менялась линейная и угловая скорости мобильного робота. В результате качество дистанционного управления положением робота снижалось. Также было сокращено время, требуемой на перемещение робота (рис. 6c). В экспериментах с переменным коэффициентом отражаемые усилия были пропорциональны модулю скорости мобильного робота. Поэтому на малых скоростях, когда человек-оператор пытался точно управлять положением мобильного робота, усилия, генерируемые задающим устройством, были малы и не играли роль возмущений при дистанционном управлении. В результате точность и качество управления движением робота были улучшены.

Экспериментально была исследована точность управления положением мобильного робота при постоянном и переменном коэффициентах обратной связи по силе. Мобильный робот был помещен в удаленную среду, которая представляла собой ограниченное стенами небольшое пространство. Изображение использованной в эксперименте удаленной среды и мобильного робота представлено на рис. 7a и рис. 7b. Человеку-оператору была поРис. 7: Вид экспериментальной установки (a,b) и изображения, получаемые с камер мобильного робота (c,d).

ставлена задача по перемещению объекта, помещенного в среду, в заданное положение (см. рис. 7b). Высота объекта была специально выбрана небольшой, для того чтобы ультразвуковые волны, генерируемые датчиками расстояния на корпусе робота не отражались от объекта манипулирования, а не от стен. Таким образом человек-оператор мог перемещать объект в удаленной среде и при этом получать тактильную информацию о расстоянии до стен. В экспериментах человек-оператор не имел прямой визуальной связи с мобильным роботом. Изображение с двух видеокамер транслировалось на пульт управления мобильным роботом. Камеры транслировали общий вид пространства перед мобильным роботом (рис. 7c) и вид пространства непосредственно перед бампером робота (рис. 7d). В эксперименте принимало участие пять человек, которым была поставлена задача точного перемещения объекта при помощи бампера мобильного робота при использовании системы отражения усилий с постоянным и переменным коэффициентами обратной связи по силе.

В каждом случае по завершению задачи измерялась ошибка позиционирования. На рис. 7d показана методика измерения ошибок позиционирования. Результаты измерений представлены на рис. 6d. Для всех операторов ошибка позиционирования была меньше в случае, когда применялась система отражения усилий с переменным коэффициентом обратной связи по силе. Дистанционное управление было более точным при переменном коэффициенте, так как отраженные человеку-оператору усилия были пропорциональны модулю скорости мобильного робота и поэтому были относительно невысокими по величине.

3 Общие выводы и результаты 1. В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача повышения точности и качества управления движением в системах двустороннего действия для дистанционно управляемых мобильных роботов на основе применения канала силовой обратной связи, основанной на совокупном учете скорости мобильного робота и его положения по отношению к объектам внешней среды.

2. Предложена структура робототехнической системы дистанционного управления мобильным роботом, включающей в себя канал силовой обратной связи, отражаемой человеку-оператору, на основании расстояния от мобильного робота до объектов внешней среды. Предложенная структура способствует повышению точности, качества и удобства дистанционного двустороннего управления мобильными роботами.

3. Предложены позиционно-силовые алгоритмы для каналов обратной связи, основанные на вычислении отражаемых человеку-оператору усилий в зависимости от скорости мобильного робота и расстояний от робота до объектов внешней среды. В предложенном алгоритме используется переменный коэффициент силовой обратной связи, пропорциональный скорости сближения мобильного робота с препятствием, что позволяет осуществлять автоматической дозирование усилий, отражаемых человеку-оператору. Построена математическая модель, реализующая преложенный алгоритм, как часть структуры системы двустороннего дистанционного управления мобильным роботом.

4. Повышена точность и качество управления движением дистанционноуправляемых мобильных роботов в недетерминированных средах, характеризуемых повышенной концентрацией внешних объектов и препятствий, за счет дозирования отражаемых человеку-оператору усилий на основании скорости движения мобильного робота.

5. Разработана математическая модель системы в среде MATLAB, являющаяся эффективным средством компьютерного моделирования для исследования динамических характеристик системы управления. Проведен анализ устойчивости системы с каналом обратной связи по силе и определении областей допустимых значений коэффициентов обратной связи для обеспечения стабильной работы системы.

6. При помощи экспериментального исследования выявлены преимущества и недостатки линейного позиционно-силового алгоритма канала обратной связи по силе, и показано, что предложенный нелинейный алгоритм воспроизведения усилий человеку-оператору позволил существенно повысить точность дистанционного управления положением мобильного робота, снизить временные затраты на выполнение задач дистанционного управления и снизить физические нагрузки человека-оператора.

7. Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс при обучении студентов мехатронике и робототехнике. Разработанный экспериментальный робототехнический комплекс используется для дальнейших исследований систем дистанционного управления.

Основные положения диссертации отражены в работах:

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Фархатдинов И. Г., Подураев Ю. В., Дж.-Х. Ю., Экспериментальное исследование позиционного, скоростного и комбинированного позиционноскоростного режимов управления в системах дистанционного управления мобильными роботами // Мехатроника, автоматизация, управление, 2010, № 1, с. 70-78.

2. Фархатдинов И. Г., Подураев Ю. В., Экспериментальное исследование дистанционного управления мобильным роботом с применением системы отражения усилий с переменным коэффициентом обратной связи // Вестник МГТУ СТАНКИН, №1, 2011, с. 17-21.

3. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Poduraev J., A user study of command strategies for mobile robot teleoperation // Journal on Intelligent Service Robotics, Vol.

2, Issue 2, 2009.

Публикации в других изданиях:

4. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Improving mobile robot bilateral teleoperation by introducing variable force feedback gain // Proc. of IEEE/RSJ Int. Conference on intelligent robots and systems, 2010, Taiwan.

5. Farkhatdinov I., Ryu J-H., An J., A Preliminary experimental study on haptic teleoperation of mobile robot with variable force feedback gain // In Proc. of IEEE Haptics Symposium 2010, Boston, USA.

6. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Stability analysis of mobile robot teleoperation with variable force feedback gain // Proc. of Eurohaptics 2010, Netherlands, Lecture Notes on Computer Science.

7. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Poduraev J., Rendering of environmental force feedback in mobile robot teleoperation based on fuzzy logic // Proc. of IEEE Int. conference on Computational Intelligence in Robotics and Automation 2009, Korea.

8. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Switching of Control Signals in Teleoperation Systems: Formalization and Application // Proc. of the 2008 IEEE/ASME Int.

Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Xi’an, China.

9. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Poduraev J. Control Strategies and Feedback Information in Mobile Robot Teleoperation // Proc. of the 17th IFAC World Congress 2008, Seoul, Korea.

10. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Hybrid position-position and position-speed command strategy for the bilateral teleoperation of a mobile robot // Proc. of IEEE/ICROS Int. conference on Control, Automation and Systems 2007, Seoul, Korea.



 
Похожие работы:

«Сахаров Александр Владимирович УСТАНОВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СТАНКОВ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОСНОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРОГРАММЫ Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2012 2 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования...»

«ШАЛЫГИН МИХАИЛ ГЕННАДЬЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ТОРЦОВЫХ ПАР ТРЕНИЯ БИТУМНЫХ ШЕСТЕРЕННЫХ НАСОСОВ Специальность 05.02.04 – Трение и износ в машинах АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Брянск – 2010 2 Работа выполнена на кафедре Управление качеством, стандартизация и метрология ГОУ ВПО Брянский государственный технический университет доктор технических наук, профессор Научный руководитель Горленко Олег Александрович доктор...»

«Барабанов Андрей Борисович ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ КОНЦЕВЫХ ФРЕЗ СПОСОБОМ ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ Специальность 05.03.01. Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2009 Работа выполнена на кафедре Высокоэффективные технологии обработки Государственного образовательного...»

«Галкин Денис Игоревич РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ БЕЗОБРАЗЦОВОЙ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ Специальность: 05.02.11 – методы контроля и диагностика в машиностроении АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2011 Работа выполнена на кафедре технологий сварки и диагностики в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана....»

«АХТАРИЕВ РУСЛАН ЖАУДАТОВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЦИФРОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ВЫСОКОКОНТРАСТНОГО ОБЪЕКТА Специальность 05.02.13. – Машины, агрегаты и процессы (печатные средства информации) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2010 г. Работа выполнена на кафедре Технология допечатных процессов в ГОУВПО Московский государственный университет печати доктор технических наук, Научный руководитель профессор Винокур Алексей...»

«Булат Андрей Владимирович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СКВАЖИННОГО НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ СЕПАРАТОРОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва, 2013 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина Научный руководитель : доктор технических наук,...»

«Тихомиров Станислав Александрович РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПУСКА И ПРОГРЕВА КОНВЕРТИРОВАННОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ГАЗОВОГО ДВС С ДИСКРЕТНЫМ ДОЗИРОВАНИЕМ ТОПЛИВОПОДАЧИ Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород 2014 Работа выполнена на кафедре Энергетические установки и тепловые двигатели Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева Научный руководитель : доктор...»

«Малкин Илья Владимирович Разработка технических средств снижения шумовых излучений системы газообмена двигателя легкового автомобиля 05.04.02 - Тепловые двигатели Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2014 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тольяттинский государственный университет на кафедре Управление промышленной и экологической безопасностью. Научный...»

«ХО ВЬЕТ ХЫНГ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ХЛАДАГЕНТА R410A И ЕГО СМЕСИ С МАСЛОМ НА ТРУБАХ С РАЗВИТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ В ИСПАРИТЕЛЯХ СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные) Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Астрахань - 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального...»

«САЖИН ПАВЕЛ ВАСИЛЬЕВИЧ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ НАПРАВЛЕННОГО ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД Специальность: 05.05.06 - Горные машины Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск - 2007 Работа выполнена в Институте горного дела Сибирского отделения Российской академии наук Научный руководитель – доктор технических наук Клишин Владимир Иванович Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор Маметьев Леонид...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.