Badania mobilności przegubowych bezzałogowych platform lądowych z kołowymi układami bieżnymi

Transkrypt

1 KONOPKA Stanisław 1 KROGUL Piotr 2 MUSZYŃSKI Tomasz 3 ŁOPATKA Marian Janusz Badania mobilności przegubowych bezzałogowych platform lądowych z kołowymi układami bieżnymi WSTĘP Bezzałogowe platformy lądowe (BPL) są specyficzną grupą maszyn, od których wymaga się wysokiej mobilności oraz dużej zwrotności. Mobilność rozumiana jako zdolność do przemieszczania się po terenach o niskiej nośności i pokonywania przeszkód terenowych [2, 4, 5]. Powinna zapewnić zdolność do przemieszczania się w każdych warunkach terenowych. Wstępne określenie mobilności przegubowych BPL zostało wykonanie w oparciu o analizy symulacyjne modelu platformy kołowej [1, 2, 4]. Przedstawione w pracy wyniki badań pozwolą szacunkowo określić zdolność maszyny do pokonywania przeszkód terenowych. 1. MODEL KOMUTEROWY PLATFORMY PRZEGUBOWEJ Jako reprezentatywny do badań wybrano model przegubowej platformy z kołowym układem bieżnym. Model numeryczny powstał z wykorzystaniem środowiska DS Catia [3]. Widok modelu przestawiono na rysunku 1. Rys. 1. Model zastosowany do badań numerycznych: 1) człon przedni; 2) człon tylny; 3) oś przegubu przechyłu poprzecznego; 4) oś skrętu pojazdu członu pierwszego względem drugiego; 5) podatne koła jezdne; 6) oś kół przednich; 7) oś kół tylnych 1 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, skonopka@wat.edu.pl 2 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, jlopatka@wat.edu.pl 3 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, tmuszynski@wat.edu.pl 507

2 Badania symulacyjne przeprowadzone zostały dla następujących parametrów modelu: 1) B=600 mm- rozstaw kół (przednich i tylnych), 2) L=840 mm- rozstaw osi, 3) m1=m2=120 kg (masa odpowiednio przedniego i tylnego członu pojazdu); 4) H=700 mm- wysokość położenia środka masy m1 i masy m2 nad podłożem. Model został zbudowany z elementów sztywnych, nieodkształcalnych, połączonych ze sobą odpowiednimi więzami oraz elementami sprężysto-tłumiącymi. Posiada 151 stopni swobody i jest wyposażony w koła podatne pozwalające na odwzorowanie kształtowej współpracy koła z podłożem. Człon przedni (1) z tylnym (2) (rys. 1) połączony został za pomocą odpowiednich więzów przegubowych. Pierwszym jest oś przegubu wahliwego (3), umożliwiająca dopasowanie się osi przedniej pojazdu do nierówności podłoża poprzez możliwość obrotu wzdłużnego względem siebie. Drugim, modelowanym połączeniem jest oś przegubu skrętu (4) pozwalające na manewrowanie pojazdem. Poszczególne koła przymocowane są do ramy z pomocą więzów obrotowych względem osi kół przednich (6) oraz osi kół tylnych (7) umożliwiających przemieszczanie się pojazdu. Jednym z trudniejszych problemów w tworzonym modelu było zamodelowanie koła podatnego na odkształcenia. Zaproponowano model składający się z 36 nieodkształcalnych elementów, połączonych ze sobą w sposób szeregowy, tworzących pierścieniowy pas koła wraz z bieżnikiem znajdującym się na jego obwodzie (rys. 2). Każdy z elementów bieżnika przymocowany został do elementu pośredniego znajdującego się wewnątrz koła za pomocą dwóch elementów sprężystotłumiących. Elementy te przymocowane są do zespołu tworzącego felgę koła, która z kolei połączona jest węzłem obrotowym z ramą pojazdu. Rys. 2. Model koła podatnego: 1) oś felgi koła; 2) i-ty element pasa bieżnika; 3) i-ty element sprężystotłumiący łączący felgę koła z bieżnikiem opony Parametryzacja wielkości geometrycznych oraz zmiana właściwości sprężysto-tłumiących pozwala na definiowanie założonej sztywności promieniowej oraz wzdłużnej koła. Tak opisany model umożliwia uzyskanie efektu dopasowania koła do nierówności terenowych oraz odwzorować przybliżony nacisk koła na podłoże (rys. 3.). 508

3 Rys. 3. Ugięcie koła jezdnego pod wpływem przykładowej wartości obciążenia Q przyłożonego w osi koła, gdzie: x ugięcie modelu opony 2. BADANIA ZDOLNOŚCI POKONYWANIA PRZESZKÓD W celu określenia mobilności platformy przeprowadzono analizy numeryczne pokonywania przez platformę przeszkód terenowych. Badania polegały na pomiarze sił nacisku oraz dyspozycyjnej siły napędowej na wszystkich czterech kołach zamodelowanej platformy podczas pokonywania typowych przeszkód terenowych, na które pojazd najczęściej może natrafić podczas jazdy w terenie. Jako reprezentatywne do badań wybrano przeszkodę typu próg (krawężnik), typu schody oraz typu rów [2, 3]. Warunkiem koniecznym pokonania danej przeszkody jest to, aby siła nacisku na każdym kole była większa od dyspozycyjnej siły napędowej. Wszystkie badania przeprowadzono dla współczynnika przyczepności koła do podłoża φ= Pokonywanie przeszkody typu próg Analizę pokonywania przeszkody typu próg przeprowadzono według schematu przestawionego na rysunku 4. Założono, że próg ma wysokość 300 mm równą promieniowi koła. Rys. 4. Schemat pokonywania przez platformę przeszkody typu próg Otrzymane wyniki dla koła przedniego prawego i lewego są bardzo podobne, z tego względu w pracy przedstawiono wyniki analiz dla jednego koła przedniej osi (rys. 5). Zbliżone wyniki uzyskano podczas rozpatrywania wyników osi tylnej (rys. 6). 509

4 Rys. 5. Wyniki badań siły normalnej oraz siły napędowej dla koła przedniego Rys. 6. Wyniki badań siły normalnej oraz siły napędowej dla koła tylnego Z przeprowadzonych badań wynika, że zarówno koła osi przedniej jak i tylnej charakteryzują się większa siłą nacisku niż generowana przez nie siła napędowa. Oznacza to, że platforma w każdej chwili, w pełni wykorzystuje dostępną siłę napędową. Siła napędowa generowana przez koła osi tylnej jest większa od siły generowanej przez koła osi przedniej maksymalnie o około 300%. Wynika to ze zmian położenia środka ciężkości, odkształcenia modelu kół oraz dociążenia osi tylnej Pokonywanie przeszkody typu rów Analizę pokonywania rowu przeprowadzono wykorzystując model przeszkody przedstawiony na rysunku 7. Przyjęto, głębokość równą 500 mm oraz nachylenie ścianek równe 50%. 510

5 Rys. 7. Schemat pokonywania przez platformę przeszkody typu rów Wyniki analiz w postaci przebiegu zmian siły napędowej oraz nacisku podczas pokonywania przeszkody typu rów przedstawiono na rysunkach 8; 9. Analogicznie jak podczas pokonywania przeszkody typu próg, przedstawione wyniki dotyczą pojedynczego koła osi przedniej (rys. 8) oraz tylnej (rys. 9). Rys. 8. Wyniki badań siły normalnej oraz siły napędowej dla koła przedniego Rys. 9. Wyniki badań siły normalnej oraz siły napędowej dla koła tylnego 511

6 Analiza wyników pokonywania przez platformę przeszkody typu rów wykazała, że podczas wyjazdu z rowu (czas 10,5-12,5s rys. 8) koła osi przedniej uległy znacznemu odciążeniu. W efekcie siła napędowa osiągnęła wartość porównywalna do wartości siły nacisku. Powodowało to powstanie nadmiernego poślizgu kół osi przedniej. W tej chwili głównym napędem platformy były koła tylne, w których zarejestrowano największe wartości siły nacisku oraz siły napędowej Pokonywanie przeszkody typu schody Do analiz pokonywania przeszkody tupu schody wykorzystano model przedstawiony na rysunku 10. Rozpatrzono przypadek pokonywania przez platformę schodów o wysokości oraz głębokości porównywalnej do schodów stosowanych w budownictwie miejskim. Rys. 10. Schemat pokonywania przez platformę przeszkody typu schody Otrzymane wyniki analizy siły napędowej i siły napędowej przedstawiono na rysunku 11 oraz 12. Rys. 11. Wyniki badań siły normalnej oraz siły napędowej dla koła przedniego Rys. 12. Wyniki badań siły normalnej oraz siły napędowej dla koła tylnego 512

7 Podczas pokonywania przeszkody typu schody przez platformę zaobserwowano spadek siły nacisku w kołach osi przedniej. Sytuacja miała podobny przebieg jak podczas pokonywania przeszkody typu rów. Głównym napędem platformy podczas podjazdu były koła tylne. Skoki wartości siły napędowej jak i siły nacisku wynikają z kolejnych stopni pokonywanych przez poszczególne koła. WNIOSKI Przeprowadzone analizy pozwoliły określić mobilność przegubowej platformy lądowej z kołowym układem bieżnym. Jako reprezentatywne wybrano przeszkody typu próg, rów oraz schody. Model platformy pokonał wszystkie z wymienionych typów przeszkód. Podczas pokonywania progu oraz schodów duże znaczenie dla rozwijanej siły napędowej miała kształtowa współpraca modelu koła z podłożem. Umożliwiała ona uzyskiwać większą siłę napędową niż w przypadku poruszania się po płaskim podłożu. Podczas przejazdu przez rów, głównym czynnikiem decydującym o zdolności do jego pokonania jest współczynnik przyczepności. Na podstawie wykonanych analiz można stwierdzić, że zaproponowana platforma powinna być w stanie pokonać podobne przeszkody w warunkach rzeczywistych. Streszczenie W pracy zawarto analizę pokonywania typowych przeszkód przez model przegubowej platformy z kołowym układem bieżnym. Jako reprezentatywne wybrano przeszkody typu próg, rów oraz schody. W celu analizy mobilności platformy zbudowano jej model numeryczny wraz z modelem koła, który uwzględnia kształtową współpracę z podłożem. Model koła umożliwia kopiowanie terenu oraz dopasowywanie się do przeszkód. Zastosowanie elementów symulujących bieżnik zwiększyło dokładność współpracy koła z podłożem. W modelu platformy uwzględniono rozkład mas wynikający z rozkładu elementów w podobnych typach platform. Uwzględniono również przeguby odpowiedzialne za skręt platformy oraz przeguby odpowiedzialne za odpowiednie kopiowanie terenu przez układ jezdny. Przeprowadzone analizy wykazały, że badana platforma jest w stanie pokonać zaproponowane przeszkody. Zauważono znaczący udział połączenia kształtowego koła z podłożem podczas pokonywania przeszkód typu próg oraz schody. Research of mobility articulated unmanned ground vehicle witch wheel drive system Abstract This paper presents analyzes of overcome typical obstacles by a model of articulated platform with wheel drive system. As representative obstacles were selected obstacles such as threshold, ditch and stairs. For the analyzes of platform s mobility was built a numerical model of it and was built a numerical model of wheel which takes into account shaped cooperation model and ground. Wheel model allows to tracing the terrain and adjust to obstacles. Use elements simulating tread increased accuracy cooperation wheels witch the ground. The model included the mass distribution as a result of comparison of similar elements in similar type of the platforms. Also it was included joints responsible for turning and responsible for allows to tracing the terrain by wheel drive system. Conducted analyzes showed that the tested platform is able to overcome typical obstacles. It was also noted significant share of shaped cooperation model and ground while overcoming obstacles like stairs and threshold. BIBLIOGRAFIA Barnett S.: Development of a tow capacity test device for small unmanned vehicles, Master Thesis, Blacksburg Virginia, December 2005 Dąbrowska A.: Rubiec A.: Evaluation of lightweight unmanned vehicle mobility, II International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists, Poznań 2009 Konopka S., Krogul P., Łopatka M. J., Muszyński T.: Symulacyjna analiza stateczności maszyn przegubowych na przykładzie ładowarki kołowej Ł34, Przegląd Mechaniczny, nr 11/2013, str. 13, Warszawa 2013 Haueisen B.: Mobility analysis of small, lightweight robotic vehicles, April 2003 Wong J. Y.: Theory of ground vehicles, Third Edition, Willey IEEE, New York