Комплекс цифрового управления группой автоматических манипуляторов мобильного ровера для межпланетных миссий

Робот (от Чежского robota – каторжный труд, каторга) - автоматическое устройство, предназначенное для замены человека в опасных ситуациях и условиях и освобождения его от монотонных повседневных операций. Современные роботы, созданные на основе новейших достижений науки и техники, используются во всех сферах жизнедеятельности человека. Робототехника – это прикладная наука, которая объединяет такие дисциплины, как механика, дистанционная механика, электроника, информатика, электротехника и радиотехника, искусственный интеллект и производство. Роботизированные системы являются основой промышленной, медицинской и аэрокосмической автоматизации. Создание такого комплекса в настоящее время является неотложной задачей и требует широкого участия информационных технологий и компьютерных технологий. Исследования в области моделирования и управления межпланетными роботами в конечном итоге направлены на полную автоматизацию этих процессов. Эта цель очень сложна, поскольку предполагает решение широкого круга теоретических и практических задач, требующих всестороннего исследования. В частности, сенсорные системы МПРМ имеют дело с неизвестными и плохо структурированными средами. Использование систем компьютерного зрения в случае плохой видимости не обеспечивает достаточной надежности [9].

---

Чтобы заказать контрольную работу по экономике заполните форму заказа. Укажите все требования и мы приступим к выполнению вашей контрольной работы!

---

В связи с этими характеристиками внедрение МПРМ в производственный процесс требует специально разработанной системы управления (СУ). Они используются для организации взаимодействия между человеческими операторами и МПРМ и для обеспечения процессов, необходимых для автоматизации технических операций. В настоящее время большинство СУ МПРМ, используемых в отечественной промышленности, разрабатываются за рубежом. Поскольку они являются закрытыми решениями, при их использовании поставка и техническая поддержка СУ и его компонентов зависит от иностранных компаний. Кроме того, их использование зависит от функционального решения, разработанного производителем, что ограничивает возможность их адаптации для решения конкретной задачи. В связи с этим возникает проблема импортозамещения. Как правило, существующие отечественные разработки относятся к 70-80-м годам прошлого века, что делает их в настоящее время морально и технически устаревшими. Поэтому задача разработки современного СУ МПРМ, соответствующего зарубежным аналогам, является актуальной. Помимо разработки самого СУ, необходимо интегрировать МПРМ с другими техническими объектами, такими как металлообрабатывающие станки. Эта задача требует внесения изменений в архитектуру СУ. Поэтому целью работы является разработка и исследование системы управления межпланетным роботом-манипулятором на основе контроллера движения, обеспечивающего качественное управление в условиях изменения динамических параметров. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: 1) Исследовать общий метод и определить требования к управлению манипулирующим роботом; 2) Исследовать кинематику и динамику робота и сформировать его математическую модель; 3) Исследовать системы управления манипуляторами роботов с различными типами регуляторов; 4) Разработка аппаратных и программных средств для СУ МПРМ; 5) Исследование развития СУ МПРМ. 6) Произвести расчет технико-экономического обоснования Для решения этих задач использованы матрицы и арифметическое исчисление, средства передаточных функций и структурные схемы, пространственные преобразования и методы объектно-ориентированного программирования. Научная новизна данной работы зависит от разработки и внедрения новых методов решения задач с помощью межпланетных роботизированных манипуляторов и включает в себя следующее: 1) Предложена структура и принцип системы управления манипуляторами робота на основе двухпроцессорной архитектуры с использованием контроллера движения и промышленного компьютера; 2) Создана обобщенная математическая модель управления манипуляторами; 3) Разработан метод оптимизации расчета динамической модели с использованием метода Лагранжа-Эйлера; 4) Предложен вариант построения позиционного контроллера и получена интегральная оценка качества МПРМ СУ. Практическую ценность имеют следующие результаты: 1) Аппаратная реализация, алгоритм и программное обеспечение системы управления МПРМ с использованием контроллера движения и промышленного компьютера; 2) Структура программных средств СУ МПРМ, реализованных в рамках двухпроцессорной архитектуры; 3) Метод создания системы управления МПРМ использует метод двойного стандарта, основанный на использовании различных форм тестовых сигналов и формировании заданных показателей точности и скорости для контурно-позиционного движения. Разработанная СУ МПРМ реализована в виде макета для управления трехзвенным манипулятором МПРМ и используется в учебных процессах. 

В данной работе рассматривается динамическая модель необитаемого межпланетного робота-манипулятора. При разработке системы управления учитывались влияние крутящего момента и силы манипулятора МПРМ. Для линеаризованных систем строится оптимальный асимптотический наблюдатель, позволяющий оценить вектор состояния системы, а также отфильтровать случайные помехи в измерительном канале и подавить стационарные случайные возмущения. Кроме того, был разработан алгоритм управления с обратной связью, основанный на идее оптимизации LQR. Предложенный алгоритм обеспечивает компьютерное и имитационное моделирование стабильных результатов МПРМ в заданном местоположении. Разработка блоков управления на основе контроллеров движения позволяет обеспечить работу в режиме реального времени основного алгоритма управления и задач системного уровня в рамках одного профессионального оборудования. Использование промышленного протокола обмена информацией Ethernet позволяет использовать существующие решения для организации взаимодействия между блоком управления и конечным устройством, что сокращает время и затраты на разработку систем управления МПРМ. В результате проектирования реализован программный код цифровой системы управления роботом: кинематическая реализация отображения и перемещения системы управления роботом, а также отладка программного кода в программной среде Simintech. Реализация цифровой системы управления манипулятором универсальна, что позволяет нам проектировать системы управления для различных манипуляторов с различными законами движения. Такая конструкция цифровой системы управления МПРМ позволяет выявлять неисправности в работе манипулятора на этапе цифрового моделирования. В результате мы получаем готовую систему управления роботом с цифровыми подвижными частями, которые были отлажены. Это позволит сэкономить время при проектировании роботов, снизить затраты на комплектацию многозвенных манипуляторов и повысить эффективность проектирования при разработке манипуляторов. Цифровое моделирование подтверждает эффективность и действенность предложенного метода. В дальнейшем планируется усовершенствовать предложенный алгоритм управления, который позволит компенсировать силовое и моментное воздействие манипулятора на ровер, обеспечивая тем самым устойчивость системы управления. Таким образом, предложенные принципы построения аппаратных и программных архитектур позволяют разработать систему управления манипулированием роботами, отвечающую требованиям современной промышленности. Методы, основанные на двухпроцессорной архитектуре, могут использоваться не только для управления МПРМ, но и для управления аналогичными категориями устройств, такими как мобильные роботы. Решение позволяет совместно использовать различные типы роботов

. Лопота В.А., Юдин В.И., Юревич Е.И. О системном подходе к развитию экстремальной робототехники. Актуальные проблемы защиты и безопасности. / В.А. Лопота. – Т. 5, СПб: Астерион, 2017. - 215 с. 2. Интеллектуальные роботы. Под ред. Юревича Е.И., М.: Машиностроение, 2017. – 308 с. 5. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана – 2018. – 480 с. 6. Юревич Е.И. Управление роботами и робототехническими системами. СПб. – 2017. – 168 с. 8. Зенкевич С.Л. Основы управления манипуляционными роботами: учебник для вузов / С.Л.Зенкевич, А.С.Ющенко.-2-е изд., испр. и доп. М. : Изд- во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. – 480 с. 9. Конструкции промышленных роботов: Учеб. Пособие для СПТУ/ Е.М. Канаев, Ю.Г. Козырев, Б.И. Черпаков, В.И. Царенко. М.: Высш. шк., 2019. – 95 с. 10. Чемоданов Б.К. Следящие приводы. Т.2. Электрические следящие приводы / Е.С. Блейз, В.Н. Бродовский, В.А. Введенский и др. / под ред. Б.К. Чемоданова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. – 878 с. 11. Электродвигатели-редукторы.рф, Электронно-коммутируемый двигатель постоянного тока Maxon motor A-max 22, [Электронный ресурс] – Режим доступа: электродвигатели–редукторы.рф. (Дата обращения: 18.04.2021). 12. Методы декомпозиции ячеек. [Электронный ресурс] – URL: https://intellect.icu/metody-dekompozitsii-yacheek-1890. (Дата обращения: 23.04.2021). 13. НАСА объявило об успешном испытании руки-манипулятора марсохода Curiosity. [Электронный ресурс]. URL: https://www.vesti.ru/nauka/article/1036339. (Дата обращения: 20.04.2021). 14. Роботы-манипуляторы.рф [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://роботы–манипуляторы.рф. (Дата обращения: 21.04.2021). 15. Встовский Н. Ю., Шеленок Е. А., Шеразадишвили Г. В., Разработка учебного робота-манипулятора, аппаратная часть, [Электронный ресурс] – URl: http://pnu.edu.ru. (Дата обращения: 22.04.2021). 16. Лабораторный практикум по изучению микроконтроллеров архитектуры ARM Cortex-M4 на базе отладочного модуля STM32F4 Discovery [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.compel.ru. (Дата обращения: 20.04.2021). 17. Рябченко В.В., Дацун Н.Н., Программно-аппаратный комплекс управления роботами-манипуляторами фирмы NEURONICS AG [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ea.donntu.edu.ua. (Дата обращения: 22.04.2021). 18. Варков А.А., Разработка и исследование системы управления межпланетным роботом-манипулятором на базе контроллера, [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://lib.eltech.ru. (Дата обращения: 21.04.2021). 19. Fossen T.I. Guidance and Control of Ocean Vehicles. – New York: Wiley, 2019. – 300 p. 20. Healey, J. and Lineard D. Multivariable Sliding-Mode Control for Autonomous Diving and Steering of Unmanned Underwater Vehicles // IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2018. Vol. 18, No 3, pp. 327–338.