Адаптивна система стабілізації обладнання мобільного робота
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Осовцев А.В. Адаптивна система стабілізації обладнання мобільного робота - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології (15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального та важливого науково-практичного завдання вдосконалення системи стабілізації обладнання, встановленого на малогабаритному колісному мобільному роботі, для забезпечення заданої точності в екстремальних непрохідних чи важко прохідних умовах руху мобільного робота та при наявності інших несприятливих факторів, таких, як вплив нелінійності характеристик системи та змінювання корисного навантаження. Основна частина дисертаційної роботи складається з чотирьох розділів, які присвячені науковому обґрунтуванню, розробленню та дослідженню ефективності адаптивної системи стабілізації. Перший розділ присвячено огляду стану проблеми та обґрунтуванню напрямку досліджень дисертаційної роботи. Зокрема, наведено класифікацію та загальну характеристику мобільних роботів, детально розглянуто наземні роботизовані платформи, зокрема, наземні колісні роботи, умови їх руху, проаналізовано завдання, які сьогодні постають перед таким класом мобільних роботів. Зроблено огляд обладнання, що може встановлюватись на наземних роботизованих платформах, проаналізовано вимоги до місця встановлення обладнання, на основі чого обґрунтовано необхідність його стабілізації. Наведено загальну характеристику систем стабілізації обладнання та проаналізовано тенденції їх розвитку і вдосконалення. Проведено аналіз наукових досліджень, виконаних іншими авторами за напрямком розробки та вдосконалення систем стабілізації обладнання на наземних рухомих платформах, на основі чого встановлено обмеження щодо використання існуючих підходів та методів. Для вдосконалення системи стабілізації обладнання, встановленого на малогабаритному колісному мобільному роботі, що експлуатується в екстремальних непрохідних чи важко прохідних умовах, запропоновано розробити адаптивну систему стабілізації з розширеними функціональними можливостями. Обґрунтовано мету і завдання даного дисертаційного дослідження. Другий розділ присвячено структурно-функціональному синтезу системи стабілізації обладнання малогабаритного колісного мобільного робота. Проведено обґрунтування вимог, наведено узагальнену схему побудови та обґрунтовано вибір функціональних елементів системи стабілізації обладнання. У якості чутливого елементу запропоновано та обґрунтовано використання курсовертикалі, побудованої на мікромеханічних сенсорах. Запропоновано та обґрунтовано використання безколекторних двигунів, а також мікроконтролеру як основного обчислювального ядра системи. Наступним етапом стало визначення характеру та величини збурень, які виникають при русі мобільного робота та впливають на ефективність функціонування встановленого на ньому обладнання, в залежності від типу поверхні руху, що є одним з важливих етапів розробки системи стабілізації обладнання. У розділі наведено математичний опис динаміки кутових нахилів мобільного робота відносно площини горизонту, на основі якого розроблено програмну модель та проведено моделювання переміщення робота на різних поверхнях руху з метою виявлення впливів різноманітних збурень, в умовах дії яких необхідно забезпечити стабілізацію обладнання з прийнятною точністю. В результаті отримано вихідні реалізації змінювання у часі кутів відхилення платформи від площини горизонту відносно повздовжньої та поперечної осей моделі мобільного робота в залежності від типів та характеристик збурення, способу їх подання в канали схем моделювання. Порівняльний аналіз результатів моделювання, отриманих на основі використання повних та спрощених рівнянь динаміки, показав необхідність використання повних рівнянь динаміки кутового руху з врахуванням перехресних зв’язків при побудові двовісної системи стабілізації обладнання. У третьому розділі проведено моделювання та аналіз динамічних характеристик системи стабілізації. На прикладі одного каналу досліджувалась система з базовою структурою та з ПІ-регулятором в каналі керування при різних збуреннях, обумовлених складним рельєфом дороги, крутизною поверхні руху, додатковими імпульсними збуреннями, що імітують наїзд на пагорби чи ями. Порівняльний аналіз похибок стабілізації одновісної системи показав, що використання ПІ-регулятора забезпечує виконання вимог по точності в екстремальних непрохідних чи важко прохідних умовах руху мобільного робота. Система з ПІ-регулятором є стійкою з прийнятними запасами стійкості та має прийнятну якість перехідного процесу. Проведено моделювання двовісної системи стабілізації з ПІ-регулятором в кожному каналі та проаналізовано похибки стабілізації для тих самих умов руху мобільного робота. В результаті встановлено, що при впливі збурень, обумовлених складним профілем, додатковими імпульсними збуреннями та впливом змінної крутизни площини руху, похибка стабілізації двовісної системи перевищує встановлене допустиме значення. Для підвищення точності стабілізації необхідно забезпечити адаптацію системи до розглянутих екстремальних непрохідних чи важко прохідних умов руху шляхом введення до складу системи адаптивних регуляторів. Четвертий розділ присвячено розробці адаптивної системи стабілізації шляхом введення до складу системи адаптивних регуляторів, параметри яких можуть налаштовуватись відповідно до змінних умов руху мобільного робота, до впливу нелінійних характеристик системи чи змінних характеристик корисного обладнання. Спочатку проведено моделювання одновісної системи стабілізації з класичним ПІ-регулятором та з урахуванням нелінійностей функціональних елементів і імітації зміни навантаження МР в умовах дії різноманітних комплексних збурень. В результаті встановлено, що врахування нелінійностей типу «люфт» та сухого тертя в системі, а також збільшення навантаження призводить до перевищення встановленого допустимого значення похибки. Обґрунтовано та розроблено адаптивний ПІ-регулятор на основі методу адаптивного керування з еталонною моделлю, який забезпечує автоматичне підналаштування коефіцієнтів ПІ-регулятора з додатковим демпфуванням параметрів під час роботи системи в реальних умовах руху колісного мобільного робота. Проведено моделювання двовісної адаптивної системи стабілізації (з адаптивними ПІ-регуляторами у поперечному та повздовжньому каналах) на різних поверхнях руху МР з урахуванням нелінійностей та змінного навантаження. В результаті встановлено, що похибки вдосконаленої на основі адаптивного регулятора системи стабілізації за обома каналами не перевищують встановлених допустимих значень при комплексному впливі збурень, обумовлених змінними умовами руху мобільного робота та впливом нелінійних характеристик системи чи змінних характеристик корисного обладнання. Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному: 1. Удосконалено систему стабілізації обладнання малогабаритного колісного мобільного робота шляхом розроблення адаптивного регулятора на основі методу адаптивного керування з еталонною моделлю, що забезпечує прийнятну точність та розширення функціональних можливостей системи стабілізації в екстремальних непрохідних чи важко прохідних умовах руху мобільного робота. 2. Вперше встановлено характер комплексного впливу нерівностей профілю поверхні руху та імпульсних збурень, нерівностей профілю та змінної кривизни поверхні руху, нелінійних характеристик елементів та змінного навантаження на похибку стабілізації одновісної системи з класичним та адаптивним ПІ-регулятором. 3. Вперше встановлено нові функціональні залежності похибок двовісної адаптивної системи стабілізації відносно повздовжньої та поперечної осей мобільного робота від характеристик різних поверхонь руху з урахуванням нелінійностей характеристик та змінного навантаження. Отримані результати мають практичне значення, зокрема, розроблено методичне, алгоритмічне та програмне забезпечення системи стабілізації обладнання малогабаритних мобільних роботів для використання в реальних умовах експлуатації.
Опис
Ключові слова
наземний роботизований комплекс, мобільний робот, система стабілізації, обладнання, регулятор, адаптивний регулятор, система керування, оцінка якості системи, зовнішні збурення, керування, математичне та комп’ютерне моделювання, еталонна модель, нелінійності, похибки, алгоритмічне забезпечення, ground robotic system, mobile robot, stabilization system, equipment, controller, adaptive controller, control system, system performance evaluation, external disturbances, control, mathematical and computer modeling, reference model, nonlinearities, errors, algorithmic support
Бібліографічний опис
Осовцев, А. В. Адаптивна система стабілізації обладнання мобільного робота : дис. … д-ра філософії : 151 Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Осовцев Андрій Володимирович. - Київ, 2026. - 183 с.