-Исследование динамики и разработка алгоритмов управления мобильных роботов

Проект посвящен проведению комплексных теоретических и экспериментальных исследований механических систем с элементами качения, описываемых нелинейными динамическими системами с неинегрируемыми связями, развитию методов теоретического и компьютерного анализа свободного и управляемого движения твердого тела с внутренними механизмами в жидкости, а также применению результатов теоретических исследований к решению прикладных задач современной мобильной и водной робототехники.В рамках проекта планируется проведение исследований по трем основным направлениям.К первому направлению относятся исследования модельных задач качения тел выпуклой формы по двигающимся поверхностям, в том числе совершающим колебательные движения. Планируется провести исследования динамики качения тел с изменяющимися параметрами: распределением масс, моментов инерций, внутренних гироскопических моментов, а также параметров колебаний подстилающей поверхности. В качестве объектов теоретических и экспериментальных исследований будут рассмотрены сферическое тело, тело в форме диска, а также тело эллиптической формы. Для качественного и количественного описания динамики качения рассматриваемых систем планируется модификация неголономных моделей их движения введением сил сопротивления. При этом для обоснования предлагаемых моделей сил динамического сопротивления качению будет проведен анализ и дана оценка влияния различных моделей динамического сопротивления на характер качения и возможность возникновения динамических эффектов, сопровождающих движение. Результаты теоретических исследований механических систем, имеющих наибольший потенциал внедрения на практике (тело в форме сферы и в форме диска), будут верифицированы в экспериментальных исследованиях, для реализации которых планируется привлечение сотрудников и оборудования ЦКП ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный университет».Результаты теоретических и экспериментальных исследований данных модельных задач позволят объяснить ряд явлений, сопровождающих движение рассматриваемых тел, а также обосновать применимость моделей динамического сопротивления качению (трения), которые могут быть использованы для наиболее полного и точного описания динамики движения более сложных робототехнических систем с элементами качения: колесных мобильных роботов, транспортных мобильных роботов, сферических роботов, беспилотных автомобилей, роботизированных авто-поездов.Второе направление связано с построением и проведением исследований динамических моделей движения управляемых многозвенных колесных роботов. Данные мобильные роботы представляют собой последовательно сочлененные колесные платформы, которые могут быть реализованы различными кинематическими схемами (иметь разную конструкцию):с одной и двумя независимо вращающимися осями, с кинематической схемой типа "роллер-рейсер", с кинематической схемой типа "авто-поезд".В рамках проекта планируется разработать теоретические модели их движения и провести анализ, что позволит разработать и сравнить различные алгоритмы и способы управления. Планируется разработать явные алгоритмы управления двух- и трехзвенными мобильными роботами для выполнения базовых маневров движения, обеспечивающих заданное положение и ориентацию всех звеньев - прицепов. Исследования управляемости для различных кинематических схем, а также способов управления позволит сформулировать технические требования и ограничения, необходимые на этапе проектирования многозвенных мобильных роботов и конструирования их отдельных элементов. Актуальность данного направления связана с возрастающим интересом ведущих мировых автоконцернов к созданию беспилотных автопоездов. В то же время промышленные предприятия в рамках программ 4й промышленной революции по автоматизации и роботизации производств ставят задачи создания автономных внутрицеховых транспортных платформ переменного состава.Кроме этого, одной из задач проекта является описание динамики движения, разработка алгоритмов управления и стабилизации движения многозвенными колесными роботами по неровной поверхности. Решение данной задачи позволит существенным образом расширить области применения колесных мобильных роботов, в том числе многозвенных, исключить дорогостоящую подготовку поверхности, что особенно актуально в реальных условиях большинства субъектов РФ.В рамках третьего направления планируется проведение комплексных исследований динамики управляемого движения робототехнических систем в форме тела с острой кромкой с внутренними механизмами в жидкости. Несмотря на активное развитие направления связанного с созданием рыбоподобных роботов, в настоящее время отсутствует комплексная теория управляемого движения, учитывающая динамические свойства движения тел в жидкости. А исследования передвижения тел в жидкости основываются в основном на изучении стационарного обтекания тел и численном моделировании на базе уравнений Навье-Стокса. В то время как полноценное управление биоподобными механизмами требует построения и исследования нестационарной динамической модели. Планируемые исследования включают в себя создание новых конечномерных феноменологических моделей движения тел в жидкости с учетом вязкости и вихреобразования; анализ возможности самопродвижения тел и создание алгоритмов управления движением с помощью внутренних механизмов, обеспечивающих управляемое изменение внутреннего кинетического момента и изменения положения центра масс, в рамках создаваемой модели; проведение экспериментальных исследований движения тел в жидкости для апробации предложенных моделей и алгоритмов управления. Результаты теоретических исследований позволят сформировать технические требования к конструктивным элементам, обосновать значения массо-геометрических параметров и разработать оптимальные управления для обеспечения максимальной эффективности, предлагаемого способа передвижения в жидкости. Будет разработана конструкторская документация и изготовлен прототип наводного робота в форме тела с острой кромкой с внутренними механизмами, для которого будут проведены экспериментальные исследования влияния параметров робототехнической системы, управляющих воздействий на траекторию движения и вихреобразование. Данные исследования планируется выполнять на уникальном оборудовании, имеющемся в распоряжении в ЦКП ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный университет».Все запланированные исследования имеют междисциплинарный характер и требуют привлечения к работе над проектом специалистов в таких областях как теория динамических систем, теоретическая и вычислительная гидродинамика, теория управления, экспериментальная механика и робототехника. Для выполнения экспериментальных работ, подготовки исследовательского оборудования, обработки экспериментальных данных будут привлечены высококвалифицированные исследователи, инженеры и специалисты по проведению физических экспериментов ЦКП ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный университет»