ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

Цель работы: Развитие современной теории динамических систем, механики и теории управления. Изучение нелинейных динамических систем с неинтегрируемыми связями, возникающих при описании свободного и управляемого качения твердых тел по различным поверхностям при условии отсутствия проскальзывания, а также свободного и управляемого движения тел в жидкости, под действием внешних сил, и с учетом диссипации. Применение полученных теоретических результатов к анализу моделей физических, механических и робототехнических систем. Поиск новых динамических эффектов, и их использование для разработки алгоритмов управления робототехническими системами. В ходе работы по проекту в 2024 г. планировалось проведение следующих исследований: 1. Исследование динамики неголономных систем с изменяемыми параметрами (положение центра масс, моменты инерции, гироскопический момент) с элементами качения по различным поверхностям, в том числе подвижным, с учетом сил сопротивления качению. Анализ влияния сил сопротивления качению на динамические эффекты, возникающие при качении подобных тел без проскальзывания по движущимся поверхностям. Разработка и исследование математических моделей движения неголономных систем с изменяемыми параметрами (положение центра масс, моменты инерции, гироскопический момент) с элементами качения по различным поверхностям направлены на анализ устойчивости движения, режимов движения, построение алгоритмов и механизмов стабилизации движения. Разработка экспериментальных прототипов и стендов, на которых планируется проведение экспериментальных исследований по оценке разработанных математических моделей движения. 2. Теоретические и экспериментальные исследования по оценке эффективности различных приводных механизмов, реализующих изменение положения центра масс, моментов инерции, гироскопического момента (ротора), как независимо, так и в различных комбинациях. Разработка математической модели движения тела с различными внутренними механизмами с учетом сил сопротивления и формы тела, перемещающегося по поверхности и в жидкости в трехмерной постановке. Изготовление исследуемых механизмов и экспериментальных стендов по оценке сил и моментов, создаваемых этими механизмами, а также проведение экспериментальных исследований. Подготовка конструкторской документации, разработка и создание натурных образцов изучаемых мобильных роботов, а также проведение экспериментальных исследований и апробация алгоритмов управления движением. 3. Разработка математических моделей, описывающих согласованное движение высокоманевренных платформ с роликонесущими колесами. Разработка алгоритмов группового согласованного управления для высокоманевренных транспортных роботов с роликонесущими колесами для движения вдоль заданной траектории с учетом ориентации. Разработка алгоритмов пространственного позиционирования исполнительного механизма с помощью группы высокоманевренных платформ с роликонесущими колесами, перемещающимися по плоскости. Проведение экспериментальных исследований, и их сравнение результатами моделирования. В ходе работы по гранту в течение 2024 г. были получены следующие научные результаты. 1. В рамках исследования движения неголономных систем проведены экспериментальные исследования движения сферического тела со смещенным центром масс по поверхности, совершающей колебания в вертикальной плоскости. Обнаружен эффект вибростабилизации неустойчивого положения, когда центр масс тела находится выше геометрического центра сферы. Получены экспериментальные зависимости влияния частоты и амплитуды колебаний поверхности на стабилизацию неустойчивого положения движения сферического тела, выполнено сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами моделирования. 2. Для проведения теоретических и экспериментальных исследований по оценке эффективности различных приводных механизмов, реализующих изменение положения центра масс, моментов инерции, гироскопического момента (ротора), как независимо, так и в различных комбинациях разработан экспериментальный стенд и методика проведения испытаний по оценке эффективности создания движущих сил и моментов. Конструкция стенда представляет собой многокомпонентную силовую платформу (для измерения 3 компонентов сил и 3 компонентов моментов) с частотой дискретизации до 1 кГц и системой крепления к ней приводных механизмов роботов. Для разработанных в рамках проекта различных механизмов приведения в движение мобильных роботов (механизмы изменения положения центра масс, механизм изменения внутреннего кинетического момента) проведены экспериментальные исследования и получены экспериментальные зависимости возникающих сил и моментов (движущих сил) от режимов движения рассматриваемых механизмов. 3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования движения в жидкости робота с формой корпуса в виде крыловидного профиля, перемещающегося за счет вращения двух внутренних масс. Конструкция робота позволяла изменять форму жесткость хвостовых плавников. Экспериментально установлено, что при одинаковых управляющих воздействиях робот крыловидной формы достигает больших скоростей, чем робот с корпусом в виде эллиптического цилиндра. Также экспериментально показано, что добавление хвостового плавника позволяет увеличить скорость перемещения робота в 10 раз. Математическая модель рассматриваемой системы (полученной на предыдущих этапах) модифицирована добавлением дополнительных сил, действующих на гибкий хвостовой плавник со стороны жидкости. Выполнены сравнение и оценка результатов теоретических и экспериментальных результатов. Полученные результаты могут быть использованы для выбора параметров конструкций и управления, обеспечивающие максимальное быстродействие робототехнической системы. 4. Разработана математическая модель описывающая согласованное движение высокоманевренных платформ с роликонесущими колесами, с учетом различного рода связей между ними. Предложены алгоритмы согласованного управления для высокоманевренных транспортных роботов с роликонесущими колесами, реализующих движение в группе для выполнения совместных задач по перемещению крупногабаритных грузов. Разработан алгоритм планирования траектории движения группы высокоманевренных транспортных роботов с роликонесущими колесами с учетом ограничений, накладываемых окружающей средой. Разработаны экспериментальные прототипы высокоманевренных транспортных роботов с роликонесущими колесами, для которых проведены исследования по оценке работоспособности разработанных алгоритмов управления. Практическая оценка точности согласованного перемещения осуществлялась с применением оптической системы захвата движения.