Моделирование оптимального режима работы манипулятора для разминирования

Описывается моделирование манипулятора для разминирования, который содержит пневматический привод, инфракрасный датчик и нейтрализатор мин. Инфракрасный датчик определяет положение мины в режиме сканирования манипулятора и подает управляющий сигнал на вход блока управления привода манипулятора для точного позиционирования нейтрализатора над обнаруженной миной. Решена задача оптимального позиционирования манипулятора в смысле минимизации энергопотребления на управление. Контур обратной связи содержит только один датчик для выполнения оптимального позиционирования системы благодаря применению наблюдателя. Управление системой осуществляется с помощью пневматического сигнала. Информация о текущем состоянии системы подается от датчика давления, подключенного к пневматическим цилиндрам, и от наблюдателя. Представлена реализация системы оптимального управления, которая требует только трех блоков масштабирования и одного сумматора, при этом модель манипулятора состоит из двух интеграторов, одного сумматора и двух блоков масштабирования. Реализовано компьютерное моделирование работы инфракрасного датчика мин. Рассчитано затухание микроволн и потребляемая мощность на заданной глубине залегания мины в грунте. Работа инфракрасного датчика моделируется в двухфазном режиме поиска мин. Полученное распределение температуры внутри объема грунта, содержащего мину, после воздействия на рабочую зону микроволнами, позволяет получать информацию о местонахождении мины. Представлены результаты моделирования поиска мины инфракрасным датчиком и моделирования позиционирования нейтрализатора с помощью пневматического манипулятора. Сравнение результатов моделирования и эксперимента показывает, что допущения, принятые при моделировании, достаточно точно соответствуют параметрам реального процесса.

1. Landmine Monitor 2015, International Campaign to Ban Landmines — Cluster Munition Coalition (ICBL-CMC), 2015.

2. de Almeida A. T., Khatib O. K. Autonomous Robotics Systems, Springer, 1998.

3. Mikulic D. Design of demining machines, Springer, 2013.

4. de Santos P. G., Cobano J. A., Garcia E., Estremera J., Armada M. A six-legged robot-based system for humanitarian demining missions, Mechatronics, 2007, vol. 17, no. 8, pp. 417—430.

5. Santana P. F., Barata J., Correia L. Sustainable robots for humanitarian demining, International Journal of Advanced Robotic Systems, 2007, vol. 4, no. 2, pp. 207—218.

6. Rachkov M., Marques L., de Almeida A. T. Automation of Demining, University Press, University of Coimbra, 2002.

7. Rachkov M. Yu., Crisóstomo M., Marques L., de Almeida A. T. Positional control of pneumatic manipulators for construction tasks, Automation in Construction, Elsevier Science, 2002, 11 (6), pp. 655—665.

8. Yinon J. Forensic and environmental detection of explosives, Wiley, 1999.

9. Noro D., Sousa N., Marques L., de Almeida A. T. Active Detection of Antipersonnel Landmines by Infrared, Annals of Electrotechnical Engineering Technology, Portuguese Engineering Society, 1999.

10. Pozar D. M. Microwave Engineering, Second Edition, John Wiley & Sons, 1998.

11. Griffiths J. Radio Wave Propagation and Antenas: an introduction, Prentice-Hall, 1987.

12. Bengtsson N. E., Ohlsson T. Microwave Heating in the Food Industry, Proc. of the IEEE, 1974, vol. 62, no. 1.

13. Metaxas A. C. Foundations of Electroheat — a unified approach, John Wiley & Sons, 1996.

14. MATLAB, High-Performance Numeric Computation and Visualization Software, The Math Works, Inc., 2016.

15. Hipp J. E. Soil Electromagnetic Parameters as Functions of Frequency, Soil Density, and Soil Moisture, Proc. of the IEEE, 1974, vol. 62, no. 1.

16. Hallikainen M. T. et al. Microwave Dielectric Behavior of Wet Soil — Part I: Empirical Models and Experimental Observations, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1985, vol. GE-23, no. 1.

17. Luenberger D. Observers for multivariable systems, IEEE Trans. on Automatic Control, AC-11, 1966.

18. Brammer K., Ziffling G. Kalman-Bucy filter, Nauka, Moscow, 1982 (in Russian).

19. Reutenberg Ya. N. Automatic control, Nauka, Moscow, 1978 (in Russian).