Устройство для управления подводным роботом



Устройство для управления подводным роботом
Устройство для управления подводным роботом

 


Владельцы патента RU 2523160:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления подводными роботами. Для формирования необходимых корректирующих сигналов и обеспечения полной компенсации эффектов взаимовлияния между степенями подвижности подводного робота и вязкого трения со стороны жидкости устройство для управления подводным роботом дополнительно снабжено третьим блоком умножения, четвертым сумматором, вторым усилителем, вторым движителем, третьим задатчиком сигнала, пятым сумматором, третьим усилителем, третьим движителем, первым, вторым и третьим датчиками положения, вторым и третьим датчиками скорости, четвертым блоком умножения, синусным и косинусным функциональными преобразователями. Изобретение позволяет обеспечить высокая точность управления подводным роботом в условиях существенного влияния вязкой окружающей среды. 1 ил.

 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления подводными роботами.

Известно устройство для управления движителем подводного робота, содержащее три сумматора, два из которых по входам соединены с задатчиками, последовательно соединенные блок умножения, первый сумматор, усилитель и двигатель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также блок деления и блок вычисления модуля, причем выход второго сумматора соединен с первым входом блока деления, а его второй вход - с выходом блока умножения, выход датчика скорости соединен с первым входом блока умножения, входом блока вычисления модуля и вторым входом первого сумматора, выход блока вычисления модуля соединен со вторым входом блока умножения и вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора (см. пат. РФ №2147001, БИ №9, 2000 г.).

Недостатком данного устройства является то, что оно, будучи предназначенным только для отдельного движителя подводного робота (ПР), не обеспечивает качественное управление ПР в целом во многих практически важных режимах его эксплуатации.

Известно также устройство для управления подводным роботом, содержащее три сумматора, причем второй и третий сумматоры по входам соединены с первым и вторым задатчиками соответственно, последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно соединенные усилитель и движитель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также первый блок вычисления модуля, причем выход датчика скорости соединен с первым входом первого блока умножения, входом первого блока вычисления модуля и вторым входом первого сумматора, выход первого блока вычисления модуля соединен со вторым входом первого блока умножения, последовательно соединенные интегратор, четвертый сумматор, первый релейный элемент и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход - к третьему входу первого сумматора, последовательно соединенные второй блок вычисления модуля, блок извлечения квадратного корня и третий блок умножения, своим выходом соединенный со входом усилителя, а вторым входом через второй релейный элемент подключенный ко входу второго блока вычисления модуля и к выходу первого сумматора, четвертый вход которого соединен с выходом первого задатчика, причем второй вход третьего сумматора через квадратор подключен к выходу датчика скорости и второму входу четвертого сумматора, а его третий вход через третий блок вычисления модуля подключен ко входу интегратора и к выходу второго сумматора, своим вторым входом соединенного с выходом интегратора (см. пат. РФ №2230654, БИ №17, 2004 г.).

Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено только для отдельного канала управления движением ПР по одной из пространственных координат. При выполнении подводным роботом сложных маневров в водной среде качество управления существенно снижается из-за сильного взаимовлияния между степенями подвижности ПР и значительных внешних воздействий (сил и моментов вязкого трения). Прототип не обеспечивает требуемую точность при отслеживании сложных траекторий, так как не учитывает совокупное влияние перечисленных отрицательных факторов на динамические свойства ПР.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение высокой точности управления подводным роботом за счет компенсации нелинейных взаимосвязей в каналах управления и внешних воздействий, возникающих при быстром движении ПР в вязкой среде, когда одновременно изменяются несколько его пространственных координат.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительных управляющих сигналов, подаваемых на входы движителей каждого канала управления подводного робота, которые обеспечивают компенсацию отрицательного влияния на точность работы всей системы управления нелинейных взаимосвязей и внешних воздействий, возникающих при быстром движении ПР в вязкой среде по сложной траектории.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для управления подводным роботом, содержащее три сумматора, причем второй и третий сумматоры по первым входам соединены с первым и вторым задатчиками сигнала, соответственно, последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, первый усилитель и первый движитель, а также второй блок умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход - к третьему входу первого сумматора, дополнительно вводятся последовательно соединенные третий блок умножения, четвертый сумматор, второй усилитель и второй движитель, последовательно соединенные третий задатчик сигнала, пятый сумматор, третий усилитель и третий движитель, первый, второй и третий датчики положения, выходы которых соединены со вторыми входами второго, третьего и пятого сумматоров, соответственно, второй и третий датчики скорости, выходы которых, соответственно, соединены со вторым входом четвертого сумматора, третий вход которого через четвертый блок умножения подключен к выходу второго сумматора и первому входу первого блока умножения, и с третьим входом пятого сумматора, а также синусный функциональный преобразователь, выход которого подключен ко вторым входам второго и четвертого блоков умножения, а вход - к выходу третьего датчика положения и входу косинусного функционального преобразователя, выходом соединенного со вторым входом первого блока умножения и с первым входом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения позволяют обеспечить неизменно высокую точность работы системы управления ПР в условиях сильного взаимовлияния между его степенями подвижности при учете дополнительных воздействий со стороны вязкой среды.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для управления подводным роботом.

Устройство для управления подводным роботом содержит три сумматора 1, 2 и 3, причем второй 2 и третий 3 сумматоры по первым входам соединены с первым 4 и вторым 5 задатчиками сигнала, соответственно, последовательно соединенные первый блок 6 умножения, первый сумматор 1, второй вход которого соединен с выходом первого датчика 7 скорости, первый усилитель 8 и первый движитель 9, а также второй блок 10 умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего сумматора 3, а выход - к третьему входу первого сумматора 1, последовательно соединенные третий блок 11 умножения, четвертый сумматор 12, второй усилитель 13 и второй движитель 14, последовательно соединенные третий задатчик 15 сигнала, пятый сумматор 16, третий усилитель 17 и третий движитель 18, первый 19, второй 20 и третий 21 датчики положения, выходы которых соединены со вторыми входами второго 2, третьего 3 и пятого 16 сумматоров, соответственно, второй 22 и третий 23 датчики скорости, выходы которых, соответственно, соединены со вторым входом четвертого сумматора 12, третий вход которого через четвертый блок 24 умножения подключен к выходу второго сумматора 2 и первому входу первого блока 6 умножения, и с третьим входом пятого сумматора 16, а также синусный функциональный преобразователь 25, выход которого подключен ко вторым входам второго 10 и четвертого 24 блоков умножения, а вход - к выходу третьего датчика 21 положения и входу косинусного функционального преобразователя 26, выходом соединенного со вторым входом первого блока 6 умножения и с первым входом третьего блока 11 умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора 3, объект управления 27.

На чертеже введены следующие обозначения: xвх, yвх, φвх - входные сигналы, задающие траекторию движения подводного робота и угол курса; X, Y, φ - линейные и угловая координаты ПР; εX, εY - ошибки (величины рассогласований) по координатам x и y, соответственно; υx, υy - проекции линейной скорости поступательного движения ПР на оси связанной с ним системы координат (СК); ω - угловая скорость вращательного движения ПР; - усиливаемые сигналы в каждом канале управления ПР; ux, uy, uφ -сигналы управления движителями 9, 14 и 18, соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы ошибок εx и εy с сумматоров 2 и 3, а также задающий входной сигнал φвх с задатчика 15, после коррекции в сумматорах и блоках 1, 6, 11, 12 и 16, усиливаясь, поступают на движители 9, 14 и 18, соответственно, приводя во вращение гребные винты и осуществляя в результате движение подводного робота в заданной плоскости с соответствующим изменением линейных x, y и угловой φ координат в абсолютной СК. При этом проекции υx и υy линейной скорости движения ПР на оси связанной СК, а также его угловая скорость ω зависят от величин поступающих сигналов ux, uy, uφ, от сил и моментов вязкого трения, возникающих при движении ПР в жидкости, и от взаимовлияния между каналами управления по отдельным координатам.

Наличие указанных факторов приводит к снижению точности работы традиционных систем управления в большинстве режимов эксплуатации подводного робота.

При наличии динамического взаимовлияния между указанными тремя каналами управления и нейтральной плавучести ПР, динамика его движения в заданной плоскости описывается нелинейной системой, состоящей из трех дифференциальных уравнений второго порядка каждое:

где m, J - масса и момент инерции ПР (с учетом присоединенных массы и момента инерции жидкости), kf, km - коэффициенты вязкого трения при поступательном и вращательном движении ПР, ky1, ky2, ky3 - коэффициенты усиления усилителей мощности 8, 13 и 17, соответственно, kd1, kd2, kd3 - коэффициенты усиления движителей 9, 14 и 18, соответственно.

Очевидно, что качественно управлять всеми режимами работы нелинейной многосвязной системы (1) при использовании традиционной линейной коррекции невозможно.

В заявляемом устройстве первый и третий положительные входы сумматора 1 (со стороны блоков 6 и 10 умножения, соответственно) имеют коэффициенты усиления kum/(kykd1), а его второй положительный вход (со стороны датчика 7 скорости) - коэффициент усиления (kf-ku1m)/(ky1kd1). Первый положительный и третий отрицательный входы сумматора 12 (со стороны блоков 11 и 24 умножения, соответственно) имеют коэффициенты усиления kum/(ky2kd2), а его второй положительный вход (со стороны датчика 22 скорости) - коэффициент усиления (kf-ku1m)/(ky2kd2). Первый положительный и второй отрицательный входы сумматора 16 (со стороны задатчика 15 и датчика 21 положения, соответственно) имеют коэффициенты усиления kφJ/(ky3kd3), а его третий положительный вход (со стороны датчика 23 скорости) - коэффициент усиления (km-kφ1J)/(ky3kd3). Первый положительный (со стороны задатчика 4) и второй отрицательный (со стороны датчика 19 положения) входы сумматора 2, а также первый положительный (со стороны задатчика 5) и второй отрицательный (со стороны датчика 20 положения) входы сумматора 3 имеют единичные коэффициенты усиления.

Поскольку датчики 19 и 20 положения измеряют линейные координаты x и y подводного робота в абсолютной СК, соответственно, то на выходе сумматора 2 формируется сигнал εx=xвх-x, а на выходе сумматора 3 - сигнал ε=yвх-y. Поскольку датчик 21 положения измеряет угол φ курса ПР, то с учетом преобразования его выходного сигнала в блоках 25 и 26 на выходах блоков 6, 10, 11 и 24 умножения формируются сигналы εxcosφ, εysinφ, sxcosφ и εxsinφ, соответственно.

Датчики 7 и 22 скорости измеряют величины υх и υy, соответственно. Поэтому с учетом указанных выше коэффициентов усиления входов сумматоров 1 и 12 на их выходах, соответственно, будут сформированы сигналы:

Поскольку датчик 23 скорости измеряет угловую скорость со движения ПР, то на выходе сумматора 16 с учетом коэффициентов усиления всех его входов будет сформирован сигнал:

Подставив значения из соотношений (2)-(4) в уравнения системы (1), после преобразований получим выражения, описывающие динамику движения ПР с учетом введенной коррекции:

, , ,

где ku, ku1, kφ, kφ1 - постоянные желаемые параметры.

Таким образом, заявленное устройство обеспечивает полную компенсацию воздействий на ПР со стороны вязкой среды и эффектов взаимовлияния между каналами управления каждой его координатой. Система управления подводным роботом в целом в любых режимах работы будет иметь требуемые (желаемые) динамические свойства и показатели качества, определяемые только коэффициентами ku, ku1, kφ, kφ1, задаваемыми на этапе проектирования управляющего устройства.

Устройство для управления подводным роботом, содержащее три сумматора, причем второй и третий сумматоры по первым входам соединены с первым и вторым задатчиками сигнала, соответственно, последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, первый усилитель и первый движитель, а также второй блок умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход - к третьему входу первого сумматора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные третий блок умножения, четвертый сумматор, второй усилитель и второй движитель, последовательно соединенные третий задатчик сигнала, пятый сумматор, третий усилитель и третий движитель, а также первый, второй и третий датчики положения, выходы которых соединены со вторыми входами второго, третьего и пятого сумматоров, соответственно, второй и третий датчики скорости, выходы которых, соответственно, соединены со вторым входом четвертого сумматора, третий вход которого через четвертый блок умножения подключен к выходу второго сумматора и первому входу первого блока умножения, и с третьим входом пятого сумматора, а также синусный функциональный преобразователь, выход которого подключен ко вторым входам второго и четвертого блоков умножения, а вход - к выходу третьего датчика положения и входу косинусного функционального преобразователя, выходом соединенного со вторым входом первого блока умножения и с первым входом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления электроприводами манипулятора. .

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания электроприводов роботов. .

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания электроприводов роботов. .

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания электроприводов роботов. .

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления электроприводами манипуляторов. .

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления электроприводами манипуляторов. .
Изобретение относится к управлению лесными машинами, преимущественно манипуляторами, применяемыми, например, в лесной промышленности для подачи захватного-срезающего устройства (ЗСУ) или харвестерной головки или захвата манипулятора к стволу дерева, спила и/или перемещения его в зону разгрузки в пакет, штабель или на транспортное средство.

Изобретение относится к лесному и сельскохозяйственному машиностроению, в частности к гидроприводам лесных манипуляторов. .

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания электроприводов роботов. .

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления подводными роботами. Для формирования необходимых корректирующих сигналов устройство дополнительно содержит третий блок умножения, четвертый сумматор, второй усилитель, второй движитель, третий задатчик сигнала, пятый сумматор, третий усилитель, третий движитель, первый, второй и третий датчики положения, второй датчик скорости, четвертый и пятый блоки умножения, третий датчик скорости, первый синусный функциональный преобразователь, блок деления, шестой и седьмой блоки умножения, первый косинусный функциональный преобразователь, первый квадратор, шестой сумматор, восьмой, девятый и десятый блоки умножения, седьмой сумматор, одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый и четырнадцатый блоки умножения, второй косинусный функциональный преобразователь, второй квадратор, пятнадцатый блок умножения, восьмой сумматор, шестнадцатый блок умножения, второй синусный функциональный преобразователь, третий квадратор, семнадцатый и восемнадцатый блоки умножения, четвертый квадратор, девятнадцатый, двадцатый, двадцать первый и двадцать второй блоки умножения. Изобретение позволяет обеспечить высокую точность управления в условиях существенного влияния вязкой окружающей среды. 1 ил.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления электроприводами манипулятора. Изобретение направлено на обеспечение полной инвариантности динамических свойств электропривода к изменениям его моментных (нагрузочных) характеристик при движении манипулятора сразу по всем пяти степеням подвижности и, тем самым, повышение динамической точности управления. Технический результат, который достигается при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании нового сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает получение нового моментного воздействия, компенсирующего вредное моментное воздействие со стороны других степеней подвижности на качественные показатели работы электропривода. 2 ил.

Изобретение относится к области автоматического управления динамическими объектами. Для стабилизации подводного аппарата в режиме зависания включают подачу сигналов управления на входы его движителей и компенсируют силовые и моментные воздействия на аппарат, которые вызывают его отклонение от исходного положения. Сигналы определяют линейное и угловое смещение аппарата от его исходного положения на два движителя каждой из трех пар движителей подводного аппарата. Одновременно подают сигналы управления, которые пропорциональны линейному смещению подводного аппарата параллельно продольным осям движителей конкретной пары и угловому смещению подводного аппарата относительно оси, которая перпендикулярна плоскости. Плоскость образует продольные оси этой пары движителей. Достигается высокая точность стабилизации подводного аппарата в режиме зависания в заданной точке пространства с помощью управляющих систем. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для систем управления электроприводами манипулятора. Технический результат - повышение качества управления манипулятором. В изобретении за счет технических средств формируется сигнал управления, подаваемый на вход электропривода, который обеспечивает получение нового моментного воздействия, компенсирующего вредное моментное воздействие со стороны других степеней подвижности на качественные показатели работы электропривода. 2 ил.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании электроприводов манипуляторов. Техническим результатом является обеспечение инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик. Самонастраивающийся электропривод манипулятора управляет обобщенной координатой q2 манипулятора, конструкция которого позволяет осуществлять горизонтальное прямолинейное перемещение (координата q4) и три вращательных движения (координаты q1, q2 и q3), при этом формируют дополнительный сигнал управления, подаваемый на вход электропривода, который обеспечивает получение моментного воздействия, необходимого для обеспечения полной инвариантности его показателей качества к непрерывно изменяющимся параметрам нагрузки. 2 ил.

Изобретение относится к управляемым приводам для преобразования энергии управления в механическую энергию перемещения рабочего органа и может быть использовано в машиностроении, робототехнике, медицине при создании гидравлических и пневматических приводов, работающих от воздействия газа или жидкости. Изобретение предусматривает создание избыточного давления рабочей среды в торообразной герметичной нерастяжимой камере с кольцеобразными торцевыми поверхностями, охватывающей шток и связанной боковой поверхностью с корпусом, и управление направлением перемещения штока относительно корпуса. При этом управляют направлением перемещения и величиной хода штока путем изменения эффективной площади по меньшей мере одной кольцеобразной торцевой поверхности камеры. Причем изменяют эффективную площадь торцевой поверхности камеры посредством силового воздействия на торцевую поверхность камеры с обеспечением изменения площади ее внутреннего или наружного кольца. Возможно также изменение величины давления в камере путем изменения объема камеры. Изобретение расширяет функциональные возможности камерного привода путем регулирования эффективной площади торцевых поверхностей камеры. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх