Исследование вопросов управления ориентацией колесного прыгающего робота в полете

Работа посвящена исследованию поведения в полете прыгающего робота, состоящего из корпуса, оснащенного колесной платформой, и разгонного модуля, установленного внутри корпуса и позволяющего устройству разгоняться под заданным углом к горизонту до необходимой скорости отрыва от поверхности. Целью проводимого в рамках работы исследования является разработка системы управления колесами устройства, обеспечивающей их вращение в полете для достижения роботом к моменту приземления заданной ориентации, позволяющей ему приземлиться одновременно на передние и задние колеса без опрокидывания. Рассматривается отрыв и приземление на опорную поверхность, описываемую кусочно-линейной функцией, определенной на двух интервалах. На каждом из интервалов эта функция может быть горизонтальной или наклонной. В работе выделены четыре типа поверхностей в зависимости от диапазонов углов их наклона к горизонту; еще одним варьируемым критерием выступает расположение упомянутых выше интервалов — расстояние, на котором линейные поверхности приземления и посадки "сшиваются" (соединяются) между собой. Для проведения исследований разработана кинематическая модель прыгающего робота и динамическая модель его полета, а также предложена система управления, обеспечивающая построение траекторий полета робота в конфигурационном пространстве для осуществления приземления в заданное конечное положение с некоторой точностью и требуемой точностью и заданной ориентацией. Данная проблема решается средствами численной оптимизации и сформулирована как задача квадратичного программирования. В результате численного моделирования установлено влияние трех параметров поверхностей (двух углов наклона и расстояния "сшивки") на время полета робота, угловые скорости вращения колес и обеспечивающие их управляющие моменты приводов при использовании предложенного подхода к управлению устройством. Также выявлено влияние ранее указанных параметров на максимальные и минимальные значения угловых скоростей колес и моментов приводов, достигаемые в процессе движения робота, что может быть использовано при проектировании опытного образца прыгающего робота для задания требований к приводам колесной платформы.

1. Dubowsky S., Kesner S., Plante J., Boston P. Hopping mobility concept for search and rescue robots // J. of Industrial Robot. 2008. Vol. 35, N. 3. P. 238—245.

2. Sayyad A., Seth B., Seshu P. Single-legged hopping robotics research // Robotica. 2007. Vol. 25, N. 5. P. 587—613.

3. Kovac M., Schlegel M., Zufferey J.-C., Floreano D. Steerable miniature jumping robot // Autonomous Robots. 2010. Vol. 28. P. 295—306.

4. Stoeter S., Papanikolopoulos N. Kinematic Motion Model for Jumping Scout // Transactions on Robotics and Automation: Proc. of the IEEE. Orlando, 2006. Vol. 22, N. 2. P. 398—403.

5. Akinfiev T., Armada M., Montes H. Vertical Movement of Resonance Hopping Robot with Electric Drive and Simple Control System // Proc. of the MED. Rhodes, Greece, 2003. P. 1—6.

6. Яцун С. Ф., Волкова Л. Ю., Ворочаев А. В. Исследование движения многозвенного робота, перемещающегося прыжками и планированием // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № S4. С. 12—17.

7. Кovac M. Вioinspired jumping locomotion for miniature robotics: Ph.D. dissertation. Ecole Polytechnique F´ed´erale de Lausanne, 2010. 194 р.

8. Ворочаева Л. Ю., Мальчиков А. В., Савин С. И. Обоснование и выбор схемы колесной прыгающей мониторинговой платформы // Вестник Брянского государственного технического университета. 2018. № 5 (66). С. 40—50.

9. Ворочаева Л. Ю., Мальчиков А. В., Савин С. И. Определение диапазонов допустимых значений геометрических параметров колесного прыгающего робота // Известия ЮЗГУ. 2018. Т. 22, № 1(76). С. 76—84.

10. Ворочаева Л. Ю., Мальчиков А. В., Савин С. И. Конструктивные особенности и классификация прыгающих роботов // Cloud of science. 2018. Т. 5, № 3. С. 473—497.

11. Никитин Г. А., Баканов Е. А. Основы авиации: учебник для вузов гражданской авиации. М.: Транспорт, 1984. 261 с.

12. Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Comparative analysis of iterative LQR and adaptive PD controllers for a lower limb exoskeleton // In Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER): IEEE Intern. Conf. Chengdu, China, 2016. Р. 239—244.

13. Posa M., Cantu C., Tedrake R. A direct method for trajectory optimization of rigid bodies through contact // Intern. J. of Robotics Research. 2014. Vol. 33, N. 1. P. 69—81.