Источник: Портал машиностроения

Применение методов синтеза и математического моделирования для исследования движущих систем наземных мобильных роботов

Маслов О.А., Куванов К.Е. (ОАО "СКБ ПА", г. Ковров)


Одним из эффективных способов противодействия террору, является разработка наземных мобильных роботов (МР), предназначенных для выявления и ликвидации взрывоопасных устройств (ВУ) направленных на уничтожение гражданского населения, а также на разрушение объектов.

Классификация, состав и функциональные возможности таких роботов подробно описаны в технической литературе [1], [2]. Учитывая изложенные в этих работах материалы, любой наземный МР специального назначения может быть представлен в виде совокупности трех больших систем: транспортной, рабочей и системы управления.

Транспортная система предназначена для доставки рабочего оборудования к месту проведения операции и играет решающую роль в возможности функционирования МР в недетерминированных (неорганизованных) средах (природные среды и среды, создаваемые аварийными ситуациями, как в природных условиях, так и при разрушении сред, созданных человеком). В данной статье речь пойдет о методе разработки и исследования движущих систем (ДС) транспортных средств (ТС) наземных МР предложенной специалистами ОАО "Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики" (ОАО "СКБ ПА", г. Ковров) при содействии специалистов из НИИ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва) и ЦСТ ФСБ России.

Понятие ДС включает в себя совокупность двигательных, передаточных и исполнительных устройств, взаимодействующих друг с другом с целью обеспечения требуемых тяговых, разгонных и скоростных характеристик, а также показателей опорной и профильной проходимости ТС. Создание ДС является весьма трудоемкой задачей, требующей от разработчика анализа среды функционирования МР, предъявляемых к ТС требований, определения нагрузок действующих на элементы ДС, выбора компоновочной схемы ДС, выбора параметров элементов ДС и т.п.

Существующие методы проектирования и исследования ДС наземных ТС общего назначения в большинстве случаев базируются на упрощенных аналитических зависимостях полученных путем рассмотрения плоских моделей равновесного движения ТС (при оценке и исследовании тягово-динамических свойств машины), упрощения схем взаимодействия движителей с грунтом (при определении показателей опорной проходимости машины), исключения нелинейностей связанных с отрывом элементов движителей от опорной поверхности (при исследовании профильной проходимости и динамической устойчивости машины) и т.п. Основные недостатки таких методов заключаются в необходимости выполнения большого объема вычислительных работ без использования ЭВМ, разрозненности проводимых расчетов и неточности получаемых результатов, трудности исследования взаимного влияния параметров ДС, МР и среды его функционирования на характеристики и показатели проходимости ТС.

С целью исключения перечисленных недостатков предлагается при разработке и исследовании ДС опираться на синтез математического и имитационного моделирования. Данный подход объединяет в едином информационном пространстве связанные расчетные программы и имитационные модели, описывающие движение МР в реальных условиях работы. Упрощенная структурная схема синтеза приведена на рис.1.



Рис. 1. Упрощенная структурная схема синтеза математического и имитационного моделирования

Согласно приведенной схеме синтез математического и имитационного моделирования достигается путем функционального объединения в среде имитационного моделирования блоков формирования команд управления, моделей тяговых двигателей, трехмерных моделей механической части ДС, МР и среды его функционирования. Блоки формирования команд управления с корректирующими устройствами и моделями тяговых двигателей предварительно объединяются в среде математического моделирования (например, в Matlab, Simulink) с целью минимизации числа перекрестных связей между элементами участвующими в синтезе. Детализированные трехмерные модели движителя, трансмиссии и распределительных устройств создаются с использованием известных пакетов твердотельного моделирования (например, в Autodesk Inventor Series 10) (рис. 2). Они же используются и при создании трехмерных моделей среды функционирования МР (завалов, уклонов, эскарпов, впадин, горизонтальных участков и т.п.). Характеристики несущих поверхностей (деформативность, сопротивление касательным сдвигам, боковому срезу и т.д.), с которыми взаимодействует движитель ТС, задаются непосредственно в среде имитационного моделирования.



Рис. 2. Трехмерная модель мотор-звездочки движущей системы в среде Autodesk Inventor Series 10

Алгоритм проведения расчетных и исследовательских работ при создании ДС наземных МР с использованием синтеза математического и имитационного моделирования представлен на рис. 3.



Рис. 3. Алгоритм проведения расчетных и исследовательских работ

С блоков формирования команд управления поступают управляющие воздействия на тяговые двигатели ДС. Развиваемые двигателями моментные усилия и угловые скорости посредством блоков сопряжения передаются в среду имитационного моделирования (например, MSC.visualNastran 4D) (рис.4), где приводят в движение элементы трансмиссии, распределительные устройства и движитель ДС, конструктивно объеденные с моделью МР.



Рис. 4. Упрощенная модель тягового двигателя мотор-звездочки с блоком сопряжения

При моделировании движения МР учитываются его геометрические и конструктивные параметры (положение центра масс, массогабаритные характеристики, клиренс ТС и т.п.), характер взаимодействия его движителя с опорной поверхностью (отрыв от опорной поверхности, сцепление, скольжение, буксование, ударное воздействие и т.п.), а также его управляемость и поворачиваемость (рис.5).



Рис. 5. Преодоление МР порогового препятствия в имитационной модели

Нагрузки, действующие на исполнительные узлы ДС в среде имитационного моделирования, и сигналы обратной связи с датчиков установленных на МР поступают (посредством блоков сопряжения) на тяговые двигатели и блоки формирования команд управления ДС ТС. Знание нагрузок позволяет определять энергозатраты (влияющие на длительность непрерывной работы МР от автономных источников питания) и показатели эффективности работы ДС (характеризующие механические потери в ДС) при движении и маневрировании МР.

Надежность работы узлов и механизмов ДС при воздействии на них внутренних (обусловленных развиваемыми и передаваемыми моментными усилиями в приводах и элементах ДС) и внешних нагрузок (обусловленных взаимодействием движителя ТС с опорной поверхностью), в процессе движения и маневрирования МР, проверяется путем проведения соответствующих прочностных расчетов в среде имитационного моделирования (например, MSC.visualNastran 4D) [3] (рис.6).



Рис. 6. Прочностной расчет элементов планетарного редуктора в среде MSC.visualNastran 4D

Одним из существенных достоинств предложенного метода разработки и исследования ДС ТС наземных МР является возможность распределения задач разработки требуемых для синтеза моделей среди специалистов предприятия, что позволяет существенно сократить время расчетно-проектировочных работ при создании ДС ТС.

Таким образом, основываясь на синтезе математического и имитационного моделирования, можно с минимальными временными и материальными затратами проводить объемный анализ характеристик и показателей ТС с целью оптимизации параметров его ДС и обеспечения надежности его работы в реальных условиях эксплуатации.