Адаптивна система стабілізації обладнання мобільного робота

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБурау, Надія Іванівна
dc.contributor.authorОсовцев, Андрій Володимирович
dc.date.accessioned2026-06-18T11:23:12Z
dc.date.available2026-06-18T11:23:12Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractОсовцев 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.
dc.description.abstractotherOsovtsev A. V. Adaptive Stabilization System of Mobile Robot Equipment — Qualification scientific work submitted as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 151 – Automation and Computer-Integrated Technologies (15 – Automation and Instrument Engineering). – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to solving an important scientific and applied problem of improving the stabilization system of equipment mounted on a small-size wheeled mobile robot in order to ensure the required stabilization accuracy under extreme or difficult terrain conditions and in the presence of additional destabilizing factors such as nonlinear system characteristics and payload variations. The main part of the dissertation consists of four chapters devoted to the scientific substantiation, development, and efficiency analysis of the adaptive stabilization system. The first chapter is devoted to the review of the state of the problem and justification of the research direction. In particular, the classification and general characteristics of mobile robots are presented. Ground robotic platforms, especially wheeled ground robots and the conditions of their movement, are considered in detail. The tasks currently faced by this class of mobile robots are analyzed. A review of the equipment that can be installed on ground robotic platforms is presented, and requirements for equipment placement are analyzed, which substantiates the need for its stabilization. A general characteristic of equipment stabilization systems is provided and trends in their development and improvement are analyzed. Scientific studies conducted by other researchers in the field of development and improvement of stabilization systems for equipment mounted on ground mobile platforms are analyzed. Based on this analysis, the limitations of existing approaches and methods are identified. To improve the stabilization system of equipment installed on a small-size wheeled mobile robot operating in extreme terrain conditions, it is proposed to develop an adaptive stabilization system with extended functional capabilities. The purpose and objectives of the dissertation research are substantiated. The second chapter is devoted to the structural and functional synthesis of the equipment stabilization system for a small-size wheeled mobile robot. The system requirements are substantiated, a generalized structural scheme is presented, and the selection of functional elements of the stabilization system is justified. As a sensing element, the use of an attitude and heading reference system based on micromechanical sensors is proposed and justified. The use of brushless motors as actuators and a microcontroller as the main computational core of the system is also substantiated. The next stage involves determining the nature and magnitude of disturbances arising during the movement of the mobile robot and affecting the performance of the equipment mounted on it depending on the type of terrain surface. This stage is one of the key steps in the development of the stabilization system. The chapter presents a mathematical description of the angular dynamics of the mobile robot relative to the horizontal plane. Based on this description, a software simulation model was developed and simulations of robot motion on different terrain surfaces were performed to determine the effects of various disturbances under which the stabilization system must ensure acceptable accuracy. As a result, time-dependent realizations of the angular deviations of the platform relative to the horizontal plane along the longitudinal and lateral axes of the mobile robot model were obtained depending on disturbance characteristics and modeling approaches. Comparative analysis of simulation results obtained using complete and simplified dynamic equations demonstrated the necessity of using full equations of angular motion with cross-coupling effects when designing a two-axis stabilization system. The third chapter presents modeling and analysis of the dynamic characteristics of the stabilization system. Using one control channel as an example, a system with a basic structure and a PI controller in the control loop was investigated under various disturbances caused by complex terrain profiles, slope variations, and additional impulsive disturbances simulating impacts with bumps or pits. Comparative analysis of stabilization errors of the single-axis system showed that the use of a PI controller ensures compliance with accuracy requirements under extreme terrain conditions. The system with a PI controller is stable, has acceptable stability margins, and demonstrates satisfactory transient performance. Simulation of a two-axis stabilization system with PI controllers in each channel was also performed, and stabilization errors were analyzed under the same operating conditions. The results showed that under disturbances caused by complex terrain profiles, impulsive disturbances, and varying slopes of the terrain surface, the stabilization error of the two-axis system exceeds the permissible limit. To increase stabilization accuracy, it is necessary to ensure system adaptation to these extreme operating conditions by introducing adaptive controllers into the system structure. The fourth chapter is devoted to the development of an adaptive stabilization system by introducing adaptive controllers whose parameters can be adjusted according to changing operating conditions of the mobile robot, nonlinear system characteristics, and variations of payload parameters. Initially, modeling of a single-axis stabilization system with a classical PI controller was performed taking into account nonlinearities of functional elements and simulated variations of robot load under complex disturbance conditions. The results showed that considering nonlinearities such as backlash and Coulomb friction as well as increased load leads to exceeding the permissible stabilization error. An adaptive PI controller based on the model reference adaptive control method was developed and substantiated, which provides automatic tuning of PI controller coefficients with additional parameter damping during real-time operation of the stabilization system. A two-axis adaptive stabilization system with adaptive PI controllers in both the longitudinal and lateral channels was simulated under different terrain conditions with nonlinearities and varying loads taken into account. The results showed that stabilization errors of the improved system based on the adaptive controller in both channels do not exceed the permissible limits under the combined influence of disturbances caused by changing terrain conditions, nonlinear system characteristics, and variations in payload parameters. The scientific novelty of the obtained results is as follows: 1. The stabilization system of equipment mounted on a small-size wheeled mobile robot has been improved by developing an adaptive controller based on the model reference adaptive control method, which ensures acceptable stabilization accuracy and expands the functional capabilities of the stabilization system under extreme terrain conditions. 2. For the first time, the regularities of the combined influence of surface profile irregularities and impulse disturbances, surface profile irregularities and variable terrain curvature, nonlinear characteristics of system elements, and variable load on the stabilization error of a single-axis system with classical and adaptive PI controllers have been established. 3. For the first time, new functional dependencies of the errors of a two-axis adaptive stabilization system with respect to the longitudinal and transverse axes of a mobile robot on the characteristics of various terrain surfaces, taking into account nonlinear characteristics and variable load, have been established. The obtained results have practical significance. In particular, methodological, algorithmic, and software support for stabilization systems of small-size mobile robots has been developed for use in real operating conditions.
dc.format.extent183 с.
dc.identifier.citationОсовцев, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/81777
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectназемний роботизований комплекс
dc.subjectмобільний робот
dc.subjectсистема стабілізації
dc.subjectобладнання
dc.subjectрегулятор
dc.subjectадаптивний регулятор
dc.subjectсистема керування
dc.subjectоцінка якості системи
dc.subjectзовнішні збурення
dc.subjectкерування
dc.subjectматематичне та комп’ютерне моделювання
dc.subjectеталонна модель
dc.subjectнелінійності
dc.subjectпохибки
dc.subjectалгоритмічне забезпечення
dc.subjectground robotic system
dc.subjectmobile robot
dc.subjectstabilization system
dc.subjectequipment
dc.subjectcontroller
dc.subjectadaptive controller
dc.subjectcontrol system
dc.subjectsystem performance evaluation
dc.subjectexternal disturbances
dc.subjectcontrol
dc.subjectmathematical and computer modeling
dc.subjectreference model
dc.subjectnonlinearities
dc.subjecterrors
dc.subjectalgorithmic support
dc.subject.udc621.317
dc.titleАдаптивна система стабілізації обладнання мобільного робота
dc.title.alternativeAdaptive Stabilization System of Mobile Robot Equipment
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Osovtsev_dys.pdf
Розмір:
7.66 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (КІОНС)
Дисертації (вільний доступ)