Инерциальная навигация мобильных роботов

В разрабатываемом приборе общая чувствительность будет равна:

(3.4)

где -- общая крутизна характеристики прибора;

-- крутизна характеристики датчика перемещения;

-- крутизна характеристики чувствительного элемента;

-- коэффициент усиления усилителя.

Рассчитаем чувствительность гироскопа для исходных данных:

- (максимальный угол поворота системы);

- = 9.8 с/м2 (максимальное значение измеряемой величины).

Найдем как отношение максимального угла поворота подвижной системы к максимальному значению измеряемой физической величины g:

(3.5)

Зададимся значением коэффициента усиления = 50 и найдем :

(3.6)

Расчет динамических параметров прибора включает в себя определение частоты собственных колебаний подвижной системы, степени успокоения и постоянной времени. Указанные параметры в общем случае можно найти из уравнения движения подвижной системы:

J* - C* + K* = 0 (3.7)

где J -- момент инерции подвижной системы относительно оси вращения;

С -- удельный демпфирующий момент;

К -- угловая жесткость противодействующего элемента;

-- угол поворота подвижной системы относительно оси вращения.

Найдем момент инерции подвижной системы. Для этого разобьем подвижную систему на простейшие элементы, для которых момент инерции найти гораздо проще. В данном случае подвижную систему делим на цилиндр -- ось подвижной системы, параллелепипед - инерционная масса, пустотелые цилиндры - каркасы катушек датчиков момента и перемещения.

Воспользуемся теоремой Штейнера и найдем общий момент инерции

(3.8)

Определяем угловую жесткость противодействующего элемента :

 = ** (3.9)

= 1*0,00051*50 = 0.0255 Н*м (3.10)

определяем частоту собственных не демпфированных колебаний

(3.11)

Величину удельного демпфирующего момента, предварительно задавшись значением степени успокоения = 0,7, определяем следующим образом

(3.12)

Определяем частоту собственных колебаний подвижной системы прибора

(3.13)

определяем период собственных колебаний по формуле

(3.14)

3.2.1 Расчет демпферов

Демпферы авиаприборов предназначены для создания сил или моментов с целью успокоения (демпфирования) колебаний подвижной системы. Эти моменты (силы) пропорциональны скорости движения подвижной системы и вводятся в гироскоп с целью повышения его динамических характеристик, то есть для получения меньшего времени ее успокоения, причем степень успокоения должна оставаться постоянной, как при изменении внешних условий, так и при всех возможных в процессе работы скоростях поворота подвижной системы. Следовательно, при конструировании демпферов необходимо учесть все эти требования.

Часто в конструкциях приборов демпфирование подвижной системы осуществляют не одним, а несколькими типами демпферов, поэтому общий демпфирующий момент подвижной системы будет находиться как сумма моментов каждого демпфера.

В данном гироскопе применяются три вида демпферов. Демпфирующий момент первого создается за счет вязкого трения жидкости о поплавок в зазоре между поплавком и корпусом. Второй - два гидравлических поршневых, которые осуществляют демпфирование за счет поступательного перемещения элементов поплавка в замкнутом пространстве с незначительными зазорами. Третий - 2 кольцевых катушечных демпфера, являющихся составной частью датчика момента (силы). Подвижная система является поплавком, погруженным в жидкость. При перемещении поплавка, жидкость создаёт противодействующую силу.

Таким образом жидкость является демпфером. Выведено, что коэффициент демпфирования в данном случае равен 5-10% от

С1 = 10%*= 9.3*10-4 Н*с*м (3.15)

Для нахождения удельного демпфирующего момента кольцевого катушечного демпфера нам дано:

- R=7,2 мм, Rn=7,2 мм (геометрические параметры датчика);

- B=0,94 Тл (магнитная индукция в зазоре);

- rк=40 Ом (сопротивление катушки);

- W=1054 (число витков в катушке)

(3.16)

Таким образом, зная суммарный удельный демпфирующий момент , равный 93*10-4 Н*с*м, находим С3.

= С1 + С2 + С3 (3.17)

С3=(93-9.3-54.83)*10-4=28.87*10-4 Н*с*м (3.18)

зная удельный демпфирующий момент С3, создаваемый за счет вязкого трения жидкости о поплавок в зазоре между поплавком и корпусом, найдем величину зазора.

(3.19)

рассчитаем степень успокоения

(3.20)

3.2.2 Расчет датчика перемещения

Датчик перемещения - это элемент информационно-измерительной цепи, осуществляющий преобразование линейных или угловых перемещений в пропорциональные им электрические сигналы.

Индукция в рабочем пространстве датчика В = 0,15 Тл

Фр=BS (3.21)

где S - площадь зазора обмотки.

Для обмоток возбуждения

Фp = 0,15*5*10-6 = 0.75*10-6 Вб (3.22)

найдем проводимость в кольцевом зазоре и проводимость утечки

(3.23)

(3.24)

определим значение магнитного потока и индукции в магнитопроводе

(3.25)

(3.26)

(3.27)

Найдем требуемое число витков обмотки возбуждения.

(3.28)

Найдем максимальное количество располагаемых витков. Коэффициент заполнения примем равным 0,6. Диаметр провода обмотки с изоляцией возьмем равным 0,07 мм

 (3.29)

Как видно, требуемое число витков обмотки катушки возбуждения не превышает максимального их количества. Найдем величину тока в обмотке

(3.30)

В соответствии с допускаемой величиной плотности тока проверим провод обмотки возбуждения на перегрев.

(3.31)

Допускаемое значение плотности тока, с учетом того, что провод обмоток изготовлен из меди, а также того, что обмотки погружены в непроводящую жидкость марки БЛП составит 80 - 100 А / мм. Таким образом, найденное значение полностью удовлетворяет заданному условию.

3.2.3 Расчет опорной подвижной системы

Опора представляет собой устройство, обеспечивающее движение одной детали относительно другой по заданной траектории с требуемой точностью. Она состоит из опорной части называемой цапфой и охватывающей ее детали, называемой подшипником. Основным требованием, предъявляемым к опорам авиационных приборов является момент трения, так как высокий момент трения приводит к нечувствительности прибора или же в его отказе, в том случае, когда момент трения превосходит движущие силы. Поэтому при расчете чувствительных опор основным является нахождение момента трения.

(3.32)

где =3.14

- диаметр цапфы

Q - радиальная нагрузка

u- жидкое трение

Зададимся исходными данными:

- u = 0.004;

- = 0.2 мм;

Учитывая, что подвижная система находится в жидкости, Q находится как разность веса системы и архимедовой силы, действующей на нее

Q=P-Fа (3.33)

Fа - архимедова сила

Q=m*g - V*?*g (3.34)

- V = 23.04*10-9 м3 (объем опоры);

- = 1920 кг/м3

Q =5*10-3-0.442368*10-3 = 4.557*10-3 H (3.35)

воспользуемся формулой 3.32 для нахождения момента трения

(3.36)

4. ОХРАНА ТРУДА

4.1 Анализ условий труда на рабочем месте

Размеры лабораторного помещения, в котором будет разрабатываться система коррекции ошибок положения объекта, составляет 7х5,6х3м. Рабочее место состоит из стола, стула и персонального компьютера. В помещении работает 4 человека. Площадь помещения составляет 39,2 м2, объём - 117,6 м3. Согласно ДСанПиН 3.3.2.007-98 площадь на одно рабочее место должна составлять не менее 6 м2, а объем - 20 м3. Для данного помещения рабочая площадь и объем на одного человека соответствует нормам, так как в нашем случае площадь на одно рабочее место составляет 9,8 м2, а объем - 29,4 м3.

В качестве машины выступает персональный компьютер, среда - лаборатория. Предмет труда - проектирование лабораторного макета. Все элементы «Ч-М-С» влияют друг на друга, при этом некоторые связи могут быть опасными и вредными. Выделяют три типа связей между элементами «человек» и «машина»:

Ч1 - это человек, управляющий машиной, главным образом для выполнения основной задачи системы - производства конечного продукта;

Ч2 - это человек, как биологический объект, влияет на производственную среду (энерговыделение от человека);

Ч3 - это человек, его психофизиологическое состояние под воздействием производственных факторов (усталость, умственное перенапряжение);

М1 - выполнение основной технологической функции (ПЭВМ);

М2 - элемент функции аварийной защиты (оборудование, которое предотвращает возникновение опасных факторов);

М3 - функционирование машины как источника вредных воздействий на человека и среду (влияние, обусловленное вредными производственными факторами).

Рисунок 4.1 - Структура системы «Ч-М-С» для рабочего места

Таблица 4.1 - Характеристики связей в системе «Ч-М-С»

Направление связи	Описание связи
Ч1- М1	Включение, обслуживание и работа с ПЭВМ, а так же с ее периферийными устройствами.
Ч2 - среда	Человек воздействует на среду как биологический объект: выделение влаги, потребление воздуха, изменение температуры в помещении, изменение влажности в помещении.
Ч3 - Ч1	Влияние людей в группе друг на друга психофизическими факторами, такими как настроение и т. д.
Среда - Ч3	Среда воздействует на человека физическими явлениями, такими как температура воздуха, атмосферное давление, влажность воздуха и т. д.
М3 - среда	Влияние машины на окружающую среду: выделение тепла, электромагнитного излучения.
М1 - Ч1	Влияние вредных факторов и выделений от машины на психофизическое состояние человека.
Ч1 - М2	Влияние человека на функциональность систем аварийной защиты в лаборатории.
М1 - М2	Информация от машины, которая влияет на способность к реакции на аварийные ситуации машины: повышенные ионизационные излучения, повышенные показатели статического электричества в воздухе.
Ч3 - Ч2	Психофизические явления, такие как: нервные перегрузки, усталость и т. д., которые влияют на интенсивность обмена веществ в организме человека:
Среда - М1	Воздействия среды на выполнение машиной технологических операций: изменение температуры, влажности, что может привести к загрязнению и запыленности контактов. А так же изменение напряжения в сети.
М2 - М1	Управляющее воздействие, которое подается на машину в случае аварийной ситуациию

Исходя из данной системы «Ч-М-С» можно определить перечень потенциально опасный и вредных производственных факторов помещения:

- физические факторы: недостаточная освещенность рабочей зоны, запыленность воздуха, повышенный уровень шума;

- психофизиологические факторы: перенапряжение зрительных анализаторов, умственное перенапряжение.

Химических и биологических опасных факторов в помещении не наблюдается.

Из перечисленных выше факторов, был выбран доминирующий фактор: недостаточная освещенность рабочей зоны.

4.2 Промышленная безопасность в лаборатории

Питание компьютеров осуществляется от трехфазной четырехпроводной электрической сети переменного тока с глухо-заземленной нейтралью и напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

Согласно НПАОП 40.1-1.21-98 помещение можно отнести к категории без повышенной опасности, так как в помещении отсутствуют факторы, которые вызывают повышенную или особую опасность.

Согласно требованиям НПАОП 0.00-4.12-05 провели вводный, первичный на рабочем месте, повторный, целевой и внеплановый инструктажи. Содержание инструктажа соответствует требованиям НПАОП 0.00-4.12-05. Инструктаж был зафиксирован в соответствующих журналах с подписями инструктируемых и инструктора.

Для создания безопасных условий труда необходимо провести ряд организационных и технических мероприятий. Согласно НПАОП 40.1-1.32-01 для предотвращения поражения человека электрическим током в помещении применяется система зануления.

4.3 Производственная санитария в лаборатории

Работа в лаборатории производится сидя и не требует физического напряжения. Поэтому она относится к категории Іа (легкие физические работы, энергозатраты до 120 ккал/ч).

Оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений для категории работ Iа следующие в соответствии с ДСН 3.3.6.042-99:

- в холодный период: температура 22-24С, относительная влажность 40-60 , скорость движения воздуха меньше или равна 0,1 м/с;

- в теплый период: температура 23-25С, относительная влажность 40-60 , скорость движения меньше или равна 0,1 м/с.

Для создания благоприятных условий труда, то есть снижения психофизиологических факторов, немаловажное значение играет планировка рабочего места, которая удовлетворяет требованиям удобства при работе, экономии энергии и времени работников. При планировании рабочего места рекомендуется учитывать зоны досягаемости рук оператора при конкретном расположении дисплея и клавиатуры. Для обеспечения оптимальных условий работы зрительных анализаторов необходима определенная цветовая отделка помещения. Помещения, имеющие вычислительную технику, окрашиваются в соответствии с цветом технических средств. Выбор цвета определяется рядом факторов, в том числе конструкцией здания, характером выполняемой работы, освещенностью, количеством работающих.

При проектировании искусственного освещения в помещениях, необходимо руководствоваться требованиями ДБН В.2.5-28-2006. Согласно тому, что в нашем помещении характеристика работы зрения можно отнести к высокой точности, третьего разряда, контраст объекта с фоном средний, а характеристика фона тоже средняя, то общая освещенность не должна превышать 200 лк.

В случае превышения уровня звукового давления в помещении, сравнительно нормам ДСН 3.3.6.037-99, принимаются меры для улучшения шумового режима: экранирования, облицовку стен и стен с звукопоглощающим материалом. Санитарные нормы распространяются на шум, инфразвук и ультразвук. Эти нормы отвечают за классификацию производственных акустических колебаний, методы гигиенической оценки производственного шума, требования к измерениям на рабочих местах, а также параметры, которые нормируются и их допустимые величины. Расчет искусственного освещения. Цель проверочного расчета - определение фактической освещенности в помещении. Основная расчетная формула метода коэффициента использования светового потока.

- фактическая освещенность, лк;

S - площадь освещаемого помещения;

z - коэффициент неравномерности освещенности, z = 1,1;

- коэффициент запаса, учитывающий запыление светильников и износ источников запаса света в процессе эксплуатации. Для помещения дисплейного зала, освещаемого люминесцентными лампами и при условии чистки светильников не реже двух раз в год, = 1,4 - 1,5;

N - число светильников в ряду;

- коэффициент использования светового потока ламп;

- коэффициент затенения, = 0,8;

n - число рядов;

Вариант 2:

= 1750;

= 4;

= 3;

= 0,57;

N = 3.

Для начала определим показатель :

= =

Затем определим показатель :

Получаем, что = 444.5 > = 400

Уровень освещения помещения соответствует нормам.

4.4 Пожарная безопасность лаборатории

Согласно нормам НАПБ Б.03.002-2007 по степени пожаровзрывоопасности данное производство относится к категории Б, т. к. помещение может иметь горючую пыль и волокна, а так же помещение не относится к категориям А или В. Согласно ДБН В.1.1.7-2002 здание относится к І-ой степени огнестойкости. Согласно НПАОП 40.1-1.01-97 помещение по пожароопасности относится к классу П-IIа.

Причиной пожара в помещении могут быть короткое замыкание электропроводки, неисправность электрооборудования, нагревание проводников, курение в непредназначенных для этого местах, нарушение правил пожарной безопасности, а также повышенная температура внутри помещения.

Для предупреждения пожаров предлагается проводить обязательный инструктаж по пожарной безопасности, следить за доступностью и сроком годности средств пожаротушения, исполнять установленный режим эксплуатации электрических сетей и оборудования, не курить в помещениях. Нами предлагается разместить в рабочем помещении 3 ручных порошковых огнетушителя типа ВВК - 1,4, т. к. данный вид огнетушителей является универсальным, и используется для тушения практически всех видов пожаров: для тушения пожаров класса А - горение твердых веществ; класса В - горение жидких веществ, как растворимых в воде, так и нерастворимых; класса С - газообразных веществ, чаще всего, бытового газа. С расчета один огнетушитель на 3 ПК, но в одном помещении их должно быть не менее двух (НАПБ Б.03.001-2004).

Около выхода из комнаты расположен план эвакуации на случай экстренной ситуации.

ВЫВОДЫ

Разработка интеллектуальных мобильных роботов (ИМР) для различных производственных и исследовательских целей является весьма важной и актуальной задачей.

В настоящее время выполнено огромное число исследований, связанных с разработкой алгоритмов управления, обеспечивающих решение с помощью мобильных роботов таких нетривиальных операций, как: составление карты местности, её уточнение, планирование траекторий, обход препятствий, выявляемых при движении, проникновение в труднодоступные зоны и т.д.

По причине возрастающих с каждым годом требований к автономности мобильных робототехнических средств существует необходимость создания сложного навигационного комплекса для наземных мобильных роботов, позволяющего расширить их функциональные возможности по ориентации на местности, составлению карт, проходу по безопасным маршрутам и т.п. В данной работе техническое задание было изучено и полностью решено.

Дальнейшие исследования новых типов мобильных роботов стимулируется многочисленными приложениями в самых различных областях человеческой деятельности (автоматизация управления движением транспортных средств, борьба с терроризмом и разминирование подозрительных предметов, работа в условиях сильной задымленности во время пожаротушение, инспекция территорий, зараженных химическими веществами, самостоятельное патрулирование назначенных территорий и др.).

Для эффективного функционирования интеллектуальные роботы снабжены системой восприятия внешней среды, средствами анализа ситуаций и принятия решений и осуществляют планирование движения (в том числе и построение трассы). Алгоритм навигации и управления могут быть применены при создании систем управления современных мобильных робототехнических систем, оснащенных различными типами датчиков для облегчения работы оператора. Полученные решение навигационных задач могут выполнятся на современных вычислительных машинах в режиме реального времени, то есть могут быть использованы для создания автономных мобильных систем в городских условиях.

Теория систем инерциальной навигации, идеи которой начали зарождаться еще в начале нашего века, в настоящие время является вполне завершенным разделом мехатроники. Однако последние достижение как в области теоретической механики, электроники, информатики, так и при создании новых типов микромеханических гироскопов позволяют ожидать появление новых подходов к решению рассмотренных задач.

Ошибки, которые встречаются в инерциальной навигации могу возникнуть через ошибки в конструкции; ошибки элементов; ошибки алгоритма системы; ошибки, связанные с подготовкой системы; ошибки, связанные с маневрами.

Основные достоинства двухстепенных поплавковых гироскопических интеграторов состоят в высокой точности (собственный уход -- десятые и сотые доли градуса в 1 ч); малой подверженности вибрационным, ударным и др. возмущающим воздействиям; возможности использования для решения широкого класса задач, возлагаемых на гироскопические устройства.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Гейтс, Б. Механическое будущее [Текст] / Б. Гейтс // Журн. «В мире науки». - 2007. - №7. - С. 37-43

2. Бобровский, С.Н. Навигация мобильных роботов [Текст] / С.Н. Гончаров// Журн. PC Week. - 2004. - №9. - С. 60-63

3. Управление роботами. Состояние и перспективы [Текст] : материалы ХХ общ. собрания академии навигации и управления движением, 26 октября 2005 г. С.-Петербург / редкол : П.К.Плотников (отв. ред.). - С.-Петербург: Электроприбор, 2008. - 20 с.

4. Палагин В.А. Техническое задание на перспективную разработку мобильного робота для использования в чрезвычайных ситуациях [Текст] / Разработка СКБ «Робототехника и мехаторника» ХНУРЕ - Харьков, 2008. - 18 с.

5. Баранов, Д.Н. Разработка интеллектуальной системы управления мобильными роботами на основе следящей системы технического зрения и нечеткой логики [Текст] : автореф. дис. кандидата техн. наук: 12.06.08 / Д.Н. Баранов; [Ун-т «СТАНКИН»]. - М., 2008. - 222с.

6. Мартыненко, Ю. Г. Управление движением мобильных колёсных роботов [Текст] / Ю.Г. Мартыненко - МГУ им. М.В. Ломоносова, 2005. - 29-80с.

7. Однородные управляющие структуры адаптивных роботов [Текст] : А.В. Каляев, Ю.В. Чернухин и др.; гл. ред. физ.-мат. лит. - М.: Наука, 1990. - 152 с.

8. Управление роботами от ЭВМ [Текст] : учеб. / Е. И. Юревич, С.И. Новаченко, В.А. Павлов и др.; под. ред. Е. И. Юревича - Л. : Энергия, 1980. - 264с.

Размещено на Allbest.ur