Исследование динамики и управление сложными робототехническими системами

В настоящее время идет активное развитие мобильных робототехнических систем, перемещающихся в различных средах и имеющих различные конструкции: колесные, гусеничные, шагающие, вибрационные, сферические и т.д. Все они находят применение в самых разных сферах, а условия окружающей среды и необходимый функционал определяют их конструкцию. Мобильные роботы активно используются в промышленности: для решения задач транспортировки в логистических центрах, для мониторинга территорий и т.д. Для управления такими мобильными роботами (и другими механическими системами) часто используют комбинации некоторого базового алгоритма и систему обратных связей различного типа. При этом базовое управление обычно оптимизировано под идеальные условия (ровная однородная поверхность, отсутствие проскальзывания и т.п.) и, кроме того, как правило, не учитывает динамику свободной системы. В результате базовое управление приводит к существенному отклонению реальной траектории от требуемой, которое сложно, а иногда и невозможно, компенсировать обратными связями. В связи с этим актуальной задачей является развитие теории управления мобильными роботами без обратных связей (open loop), учитывающей неидеальность поверхности и основанной на глубоком понимании их кинематики и динамики. Данный проект направлен на решение указанной задачи – на разработку и совершенствование как систем управления, так и конструкций робототехнических систем, позволяющих с достаточной точностью перемещаться в условиях реальной окружающей среды (по негоризонтальным, не ровным поверхностям, в жидкости), а также на разработку теории и систем управления исследуемыми робототехническими системами. В настоящем проекте планируется проведение комплексных исследований, направленных на разработку и анализ движения робототехнических систем. Данные исследования включают в себя разработку конструкций и создание натурных образцов мобильных роботов, построение математических моделей движения, позволяющих изучить их динамику, и решение задач управления рассматриваемых систем. Кроме того, проведение теоретических исследований динамики и управляемости роботов позволит разработать рекомендации для оптимизации параметров конструкций и управляющих параметров. Научная новизна исследований заключается в разработке алгоритмов управления для рассматриваемых конструкций робототехнических систем (омниколесных, сферических, безвинтовых подводных), использующих результаты исследования динамических моделей, описывающих их движение с учетом особенностей внешней окружающей среды. Кроме того, рассматриваемые конструкции робототехнических систем являются новыми и имеют преимущества в маневренности, проходимости, управляемости по сравнению с существующими моделями мобильных роботов. В результате будут разработаны новые конструкции сферических роботов (с комбинированным приводом, а также с аэродинамическим движителем), способных передвигаться по неровным и негоризонтальным поверхностям, а также разработана теория управления, обеспечивающая их автономное и точное движение, новые конструкции безвинтовых подводных роботов с хвостовым плавником повышающим эффективность движения в жидкости, алгоритмы управления мобильных роботов с омниколесами (с роликонесущими колесами), обеспечивающие точное движение по неровным и негоризонтальным поверхностям. Все полученные результаты буду верифицированы экспериментально на специально созданных прототипах робототехнических систем с применением современных экспериментальных методик оценки их состояния и траекторий движения