COMPARISON OF MODELS OF MOTION CONTROL SYSTEMS OF A MANIPULATOR FOR AN UNMANNED UNDERWATER VEHICLE

Full Text

Введение

С развитием технологий и увеличением потребностей в исследованиях океанов и морей, необитаемые подводные аппараты (НПА) становятся все более важными инструментами для научных, промышленных и исследовательских задач. Эти высокотехнологичные устройства осуществляют мониторинг морской среды, проводят геологоразведочные работы, исследуют морское дно и выполняют сложные инженерные операции на больших глубинах, где присутствие человека невозможно или небезопасно. B настоящее время ро6оты и манипуляторы находят широкое применение как в производстве, так и в 6ыту. Быстрое внедрение роботов привело к интенсивному развитию теории их расчетов [1].

НПА - Подводный аппарат без экипажа на борту, управление которым осуществляется автономной бортовой или дистанционной системой управления или сочетанием указанных способов [2].

Одной из ключевых особенностей современных НПА является наличие манипуляторов, которые значительно расширяют функциональные возможности аппаратов. Манипуляторы выполняют такие задачи, как сбор образцов, установка и обслуживание оборудования, а также взаимодействие с окружающей средой. Роботы становятся незаменимыми инструментами в различных областях, включая экологический мониторинг, подводное строительство и даже военные операции [3, 4].

Актуальность применения НПА с манипуляторами обусловлена несколькими факторами. Во-первых, НПА с манипуляторами становятся незаменимыми инструментами для проведения исследований и эксплуатации этих ресурсов. Эффективные системы управления позволяют точно выполнять поставленные задачи. Во-вторых, использование НПА для выполнения задач в опасных или труднодоступных условиях значительно снижает риски для человека. Совершенные системы управления манипуляторами обеспечивают высокую точность и надежность операций, что критически важно при работе на больших глубинах или в условиях низкой видимости. В-третьих, развитие технологий в области автоматизации и робототехники открывает новые возможности для улучшения систем управления манипуляторами. Внедрение алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта позволяет создавать адаптивные системы, которые могут самостоятельно принимать решения на основе анализа данных в реальном времени.

Таким образом, исследование и развитие систем управления НПА с манипуляторами не только актуально, но и необходимо для решения множества современных задач, связанных с исследованием и использованием океанов. В данной статье будет рассмотрен сравнительный анализ моделей систем управления движением манипуляторами, применяемых в НПА.

 

На рисунке 1 представлена 3D модель манипулятора.

Рисунок 1 – 3D модель манипулятора

 

3D технологии позволяют представить модель со всех ракурсов и устранить недостатки выявленные в процессе её создания [5].

На рисунке 2 представлена кинематическая схема манипулятора. Схема – графический конструкторский документ, на котором составные части изделия и связи между ними представлены в виде условных изображений и графических обозначений [6]. Кинематические схемы показывают взаимодействие узлов и деталей механизма.

Рисунок 2 – Кинематическая схема манипулятора

 

Задача манипулятора на НПА – обеспечение проведения подводных работ без прямого участия человека. Первый исследуемый алгоритм – разомкнутое управление манипулятором изображен на рисунке 3. В рамках разомкнутого управления сигналы подаются оператором НПА. На рисунках 1 и 2 видны основные части манипулятора: плечо, предплечье, кисть и захват.

Рисунок 3 – Разомкнутое управление манипулятором робота

 

Схема, показанная на рисунке 3, моделирует поведение манипулятора, состоящего из четырех идеальных твердых тел («Плечо» - блок Body, «Предплечье» - Body1, «Кисть» - Body2, «Захват» - Body3). Манипулятор приводится в движение одной цилиндрической и двумя угловыми передачами. Блоки Joint Actuator необходимы для передачи управляющего усилия на передачи, моделируя, таким образом, приводной двигатель. Блок Body Sensor позволяет получит координаты, скорость, линейные и угловые ускорения захвата.

Проведем моделирование разработанной схемы, подав на передачи синусоидальное воздействие. На рисунке 4 показаны координаты захвата в функции времени.

Рисунок 4 – Координата захвата в функции времени

 

Как видим из рисунка 4, при разомкнутом управлении координата манипулятора изменяется по близкому к линейному закону. Рассмотрим изменение во времени скорости, линейного и углового ускорения вдоль рабочей оси (рисунок 5).

Рисунок 5 – Скорость и ускорения захвата

Как видим, динамические характеристики манипулятора изменяются по гармоническому закону, что позволяет сделать вывод о движении захвата по окружности. Тем не менее, при выполнении подводных работ требуется реализация произвольного закона перемещения захвата. Проанализируем поведение захвата при скачкообразном задающем сигнале (рисунок 6). Как видим, при подаче постоянного воздействия, манипулятор неустойчив, так как его координата неограниченно возрастает. Соответственно, применение разомкнутого управления манипулятором имеет ограниченные возможности управления, и эту проблему необходимо решать введением обратной связи, для чего использован алгоритм замкнутого управления, показанный на рисунке 7.

Рисунок 6 – Положение захвата при постоянном управляющем воздействии

 

Для организации замкнутого управления введем обратную связь по положению захвата (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схема манипулятора с обратной связью по положению

Построим переходную характеристику положения захвата при ступенчатом воздействии (рисунок 8). Как видим из рисунка 8, введение единичной обратной связи приводит к автоколебаниям положения. Соответственно, для стабилизации положения единичной обратной связи недостаточно и требуется введение регулятора. Используем ПИ-регулятор с параметрами ; с. На рисунке 9 приведена соответствующая переходная характеристика.

Рисунок 8 – Переходная характеристика положения захвата при единичной обратной связи

Рисунок 9 – Переходная характеристика положения захвата при ПИ-регулировании

Заключение

Использование ПИ-регулятора в замкнутом контуре по положению захвата позволяет точно отрабатывать задающее воздействие с минимальным перерегулированием, в отличие от разомкнутого управления, не обеспечивающего ни точности, ни устойчивости регулирования манипулятора. Соответственно, использование обратных связей позволяет строить автоматизированные системы подводных работ.

Таким образом, объективно лучшими показателями качества обладает алгоритм замкнутого автоматического управления без участия оператора.

Манипуляторы в подводной среде обладают широкими возможностями, их развитие открывает новые перспективы для эффективного использования морских ресурсов. Будущие исследования и разработки в этой области будут способствовать созданию более надежных и универсальных решений, способных справляться с современными проблемами подводной робототехники.

About the authors

Dmitry P. Kirichenko

Saint-Petersburg State Marine Tech- nical University

Email: dima01100190@gmail.com
Russian Federation, Lotsmanskaya, 3, St. Petersburg, 190121, Russian Federation

Sergey Y. Sakovich

Saint-Petersburg State Marine Tech- nical University

Author for correspondence.
Email: sergeysakovich@mail.ru
SPIN-code: 2426-9555
ResearcherId: O-2664-2013

Ph.D.(eng), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Automatic Control Systems and On-Board Computer Technology

Russian Federation, Lotsmanskaya, 3, St. Petersburg, 190121, Russian Federation

References

Supplementary files