Development of the system of detection of hazardous objects near a robot

Gubanova Aleksandra Anatol'evna Lecturer at Don State Technical University. 344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, Gagarina, 1 anatoliya81@mail.ru Other publications by this author

Shibalkina Elena Vladimirovna Engineer at Don State Technical University 344000, Russia, Rostov-on-Don, Gagarina, 1 anatoliya81@mail.ru Other publications by this author

Автоматизированные системы управления мобильными объектами выполняют сложные операции по преобразованию информации, логические и арифметические действия, используя средства и методы вычислительной техники. Характерным признаком такой системы является многоконтурность, многосвязанность и вложенность системы управления с применением современных микроконтроллеров, микропроцессоров и микроЭВМ на любом уровне.

Рисунок 1- Структурная схема системы обнаружения опасных объектов

Мобильный робот предназначен для обнаружение подозрительных объектов (препятствий) вблизи себя и определения своих координат, а, следовательно, координат опасного объекта. Подозрительный объект обнаруживается и идентифицируется как опасный с помощью инфракрасного датчика, реагирующего на наличие препятствия.

Принцип работы. При обнаружении опасного объекта вблизи робота сигнал с датчика, через устройство усиления сигнала, подается на устройство управления. Устройство управления обрабатывает входную информацию и вырабатывает управляющий сигнал на останов двигателей. Если опасный объект не обнаруживается, то устройство управления синхронизирует работу двигателей правого и левого колес с целью прямолинейного движения робота. Синхронизация производится по информации, поступающей от датчиков угловой скорости колес робота.

Для задания траектории движения робота используется приемопередатчик, посылающий радиосигнал. Для обеспечения нормальной работы робота установлен инфракрасный датчик, предназначенный для нахождения препятствий на пути робота. Если на пути робота возникает препятствие, которое он не может преодолеть, то устройство управления вырабатывает сигнал на отработку поворота робота.

Также на мобильном роботе имеется приемник радиосигнала. На этот приемник от внешней системы управления будут поступать сигналы на поворот робота и на завершение работы. В данном случае поворот выполняется с целью изменения траектории движения по команде оператора.

Силовая часть схемы электрической принципиальной состоит из двух двигателей постоянного тока, четырех драйверов силовых ключей IR2112 и восьми силовых ключей BUZ11A.

Рисунок 2- Фрагмент силовой схемы сиcтемы

Таким образом. для того, чтобы двигатели начали вращаться в одном направлении необходимо полностью открыть ключи Q1 и Q4. Если необходимо чтобы двигатель вращался в противоположном направлении, ключи Q1 и Q4 необходимо полностью закрыть и открыть Q2 и Q3. Для регулировки скорости вращения используется широтно-импульсная модуляция.

При разработке системы управления данного объекта возникает ряд проблем. Для поддержания постоянной линейной скорости транспортного средства необходимо отслеживать и перераспределять крутящий момент между ведущими колесами, т.е. программно реализовать механический дифференциал. Связанно это с тем, что при повороте, а так же вследствие некоторой разности в радиусах реальных колес, они оказываются неодинаково нагружены. Вследствие этого появляются паразитные силы, повышающие изнашиваемость ходовой части, и понижающие управляемость транспортного средства.

Для упрощения задачи, введем понятие некоторого эквивалентного колеса, которое будет находиться на оси ведущих колес на одинаковом расстоянии от них. Являясь эквивалентом передних колес, оно будет жестким, иметь идеальную геометрию и не будет вносить никаких помех в движение объекта. Таким образом, задача системы управления колесами будет сводиться к поддержанию постоянной угловой скорости эквивалентного колеса (обозначим ее как ωэкв).

Как видим, система управления должна измерять (рассчитывать) угловую скорость эквивалентного колеса. Но такого колеса в действительности нет, поэтому данную скорость необходимо подсчитывать по измеренным скоростям реальных колес, пользуясь следующей формулой приведения:

, (1)

где: Kv – коэффициент корректировки угловых скоростей колес при криволинейном движении, зависящий от угла поворота рулевого колеса;

Kω – коэффициент дополнительного приращения скорости колеса.

Таким образом, измеренная угловая скорость эквивалентного колеса есть исходный сигнал, своего рода порог, с которым должна согласовать угловые скорости колес система управления. Принцип согласования достаточно простой: если оказывается, что измеренная угловая скорость одного из колес больше необходимой, то мощность подводимая к нему уменьшается. И наоборот. Другими словами система управления решает уравнение:

(2)

Точность регулирования должна быть не хуже +0.5% от ωэкв. И если угловая скорость какого-либо ведущего колеса выйдет из этой полосы регулирования, система управления прореагирует, изменив подводимую мощность к тому или иному колесу.

Определение дуги, которую проходит одно, например, правое колесо за время t:

(3)

где a=90 – угол, на который поворачивает робот, град.;

R=0.5 – радиус поворота, определяемый как расстояние между ведущими колесами робота, м.

Определение времени t:

(4)

где u=1 – скорость движения мобильного робота, м/с.

Т.о можно сказать, что мобильный робот выполняет поворот на 900за 0,4с. При этом одно ведущее колесо затормаживается, а второе продолжает вращаться.

Так же система управления дополнительно отрабатывает сигналы поступающие с датчика обнаружения опасных объектов и ультразвукового датчика, определяющего наличие препятствий на пути робота. Эта информация необходима для обеспечения безопасности движения мехатронной системы. Управление двигателями осуществляется с помощью широтно-импульсного преобразователя, встроенного в микроконтроллер.

Разработанная система управления мобильным роботом данная система имеет большие преимущества по сравнению с другими подобными СУ, и вполне конкурентоспособна на рынке аналогичных систем., так как требует меньших затрат на реализацию силовой части системы управления.