Układy sterowania pojazdów czterokołowych

Transkrypt

1 Układy sterowania pojazdów czterokołowych Istnieje wiele rodzajów układów sterowania pojazdami czterokołowymi. Kilka podstawowych przedstawiono na rysunku poniżej. Sterowanie niezależne (Rys. a) Polega na niezależnym sterowaniu każdego koła połączonego przegubowo w określonym, pożądanym kierunku jazdy. Ten typ rozwiązania jest dość skomplikowany, zarówno pod względem konstrukcyjnym jak i sterowania, ponieważ wymaga wyliczenia odpowiedniego kąta skrętu dla każdego z kół. Jednak niewątpliwą zaletą takiego sterowania jest bardzo duża manewrowość w trudnych warunkach terenowych oraz możliwość jednoczesnego skręcenia wszystkich kół o 90 stopni, dzięki czemu pojazd może poruszać się w poprzek.

2 Sterowanie Ackermana (Rys. b) Jeden z najpopularniejszych typów sterowania używany w pojazdach czterokołowych. Jego ideą jest wykorzystanie mechanicznego układu (Ackermana), dzięki któremu koło wewnętrzne skręca się nieco bardziej niż zewnętrzne, przez co koła poruszają się po krzywych, których środek znajduje się w tym samym punkcie. Pozwala to niwelować różnicę prędkości obrotowych kół na zakręcie, co powoduje zmniejszenie poślizgu. Ten typ sterowania jest stosowany w niemalże każdym samochodzie. Sterowanie przegubowe (Rys. c) Jest szeroko stosowane w dużych i ciężkich pojazdach budowlanych, ale znajduje zastosowanie również w niektórych konstrukcjach robotów. Kierunek jazdy zmieniany jest poprzez łamanie się pojazdu na przegubie umieszczonym w centralnej części. Zaletą tego sterowania jest niska złożoność mechaniczna oraz duża manewrowość - przednie i tylne koła jadą po tych samych śladach (przez co poślizg zredukowany jest do minimum).

3 Sterowanie ślizgowe (Rys. d) Zmiana kierunku jazdy polega na wytworzeniu różnicy prędkości między lewą a prawą stroną pojazdu. Zaletą tego typu sterowania jest brak jakichkolwiek przegubów mechanicznych (niezawodność) oraz bardzo duża manewrowość, w porównaniu do wszystkich wymienionych powyżej typów sterowania (możliwy jest obrót pojazdu wokół własnej osi). Wadą jest powstawanie dużych sił bocznych podczas skrętu (co wymusza projektowanie bardziej wytrzymałych układów napędowych), konieczność stosowania min. dwóch silników (lub skomplikowanych mechanizmów rozdzielających napęd ze stałą kontrolą prędkości) oraz nieprzewidywalne zapotrzebowanie na energię podczas skrętu, uwarunkowane rodzajem podłoża. Tego typu sterowanie jest podstawą wszystkich pojazdów gąsienicowych. Sterowanie osią skrętną (Rys. e) Sterowanie, w którym niezależnie skręcane koła sterujące zostały zastąpione jedną osią skrętną. Jest to niewątpliwa zaleta tego typu sterowania ze względu na bardzo uproszczoną konstrukcję mechaniczną oraz łatwość sterowania, jednakże w przeciwieństwie do układu Ackermana, koła poruszają się po różnych torach podczas pokonywania zakrętów, co prowadzi do zwiększenia mocy napędowej oraz powstawanie poślizgów.

4 Układ Ackermana o i l d R Schemat układu kierowniczego - Ackerman Wektory prędkości chwilowych obu kół są styczne do okręgów, po których porusza się każde z kół.

5 Taka geometria sterowania spełnia poniższe równanie Ackermana: ctg o ctg i d l o atg l R 0,5d gdzie: i - względny kąt skrętu koła wewnętrznego o - względny kąt skrętu koła zewnętrznego l - wzdłużny rozstaw kół d - poprzeczny rozstaw kół Dla uproszczenia obliczeń kąta skrętu robota SA, dwa koła kierujące mogą być zastąpione jednym, środkowym

6 o SA i l d R ctg SA d 2 l ctg i Schemat zastępczy układu Ackermana lub ctg SA ctg o d 2l Zastosowanie układu Ackermana umożliwia odometryczne określenie względnego przemieszczenia robota, na podstawie kąta skrętu kół oraz przebytej drogi. Jednak jest to tylko teoria, ponieważ w praktyce występują siły zewnętrzne np. poślizgi, które uniemożliwiają w sposób pewny i jednoznaczny wyznaczenie położenia względnego po przemieszczeniu.

7 Odometryczne sterowanie pojazdem gąsienicowym Metoda sterowania odometrycznego polega na obliczaniu względnego przemieszczenia pojazdu na podstawie pomiaru kąta obrotu kół napędowych lub gąsienic. Znając zależności pomiędzy kątem obrotów, a drogą pokonywaną przez robota możliwe jest wyznaczenie aktualnej pozycji i prędkości robota. W napędzie gąsienicowym podczas pokonywania łuków w uproszczeniu można przyjąć, że gąsienica styka się z podłożem tylko w jednym punkcie zwanym punktem styku. Zależność pomiędzy wartościami prędkości gąsienic, a promieniem łuku, po jakim porusza się robot jest łatwa do określenia przy założeniu, że punkt styku gąsienicy z podłożem jest stały. Schemat trajektorii w ruchu po łuku.

8 Aby ruch robota następował po łuku o promieniu R, z prędkością V muszą być spełnione następujące zależności. Promienie łuków pokonywanych przez poszczególne gąsienice wyrażają się następująco: R1 R D 2 oraz R2 R D 2 gdzie D jest rozstawem gąsienic. Dodatkowo na każdym łuku obowiązuje także zależność: V R V1 R1 V 2 R2 Dane te są wystarczające do wyznaczenia wymaganych prędkości gąsienic realizujących ruch po zadanym łuku z zadaną prędkością. Mając dane promienie łuków R1 oraz R2, po których poruszają się gąsienice, zadany promień ruchu R oraz prędkość V możliwe jest wyznaczenie prędkości poszczególnych gąsienic: R1 oraz V1 V * R V 2 V * R2 R

9 Te obliczenia obowiązują jedynie w przypadku idealnym, w którym punkt styku gąsienicy z podłożem jest stały. W praktyce takie warunki są niemożliwe do osiągnięcia. Na skutek nierównomiernego obciążenia gąsienicy, spowodowanego poprzez niejednorodne właściwości podłoża oraz występujące podczas ruchu siły bezwładności, gąsienica pracuje ze zmiennym profilem obciążeń. Praktycznie niemożliwe jest określenie aktualnego punktu styku gąsienicy z podłożem, który nieustannie przemieszcza się. Zmiana położenia punktu styku pociąga za sobą zmianę promieni trajektorii ruchu poszczególnych gąsienic i dla kontynuowania ruchu po zadanej ścieżce konieczne byłoby wykonanie korekty prędkości gąsienic V1 oraz V2.

10 Odometryczne sterowanie robotem gąsienicowym w podejściu uproszczonym, w którym zakładamy, że punkt styku gąsienicy z podłożem jest stały i nie przemieszcza się podczas ruchu, w zderzeniu z rzeczywistością okazuje się praktycznie niemożliwe do zrealizowania. Na skutek poślizgów sterowany w ten sposób robot zachowuje się chaotycznie i jego dokładne pozycjonowanie jest znacznie utrudnione. Należy dodać, że precyzyjny ruch po skomplikowanej trajektorii złożonej z szeregu odcinków i łuków jest niemożliwy na skutek sumowania się błędów. Precyzyjne sterowanie odeometryczne rzeczywistym pojazdem gąsienicowym wymaga zastosowania systemu czujników, które pozwolą na precyzyjne określenie aktualnej pozycji punktu styku każdej z gąsienic z podłożem. Tylko wówczas możliwe jest wyznaczenie takich prędkości obu napędów, które pozwolą wykonać ruch po zadanej krzywej. Zadanie to jest jednak bardzo trudne w realizacji.

11 Zaawansowane metody sterowania Wspomniane wcześniej problemy w sterowaniu odometrycznym są głównym powodem wyposażania robotów w precyzyjne czujniki zapewniające orientację robota w otaczającym go środowisku. Szeroka gama dostępnych czujników mierzących niemalże wszystkie spotykane wielkości fizyczne spowodowała duży rozwój w dziedzinie nawigacji i umożliwiła opracowanie wielu metod określania aktualnej pozycji pojazdu. Najważniejsze z nich to: Metody inercyjne polegają na wykorzystaniu akcelerometrów i żyroskopów do pomiaru przyspieszeń i prędkości robota. Informacje o aktualnej pozycji uzyskiwane są na drodze całkowania. Metoda ta, podobnie jak i metoda odometryczna, należy do metod względnych, gdyż aktualna pozycja wyznaczana jest względem poprzedniej. Metoda dopasowywania modelu bazuje na porównywaniu aktualnego odczytu z czujników z umieszczonym w pamięci robota modelem otaczającego go środowiska. Metodą symulacji modelu znajdowana jest aktualna pozycja, która najlepiej pasuje do opisu pochodzącego z systemu czujników. Metoda rozpoznawania znaczników wymaga od robota umiejętności odnajdywania w otaczającym go środowisku znaków i ustaleniu własnej pozycji w oparciu o znaną pozycję danego znaku. W tego typu sterowaniu najczęściej wykorzystywane są systemy wizyjne. W metodzie aktywnych latarni kierunkowych pozycja robota ustalana jest na podstawie pomiaru sygnałów pochodzących z trzech lub więcej źródeł sygnałów o znanej pozycji. Można ją porównać do zasady funkcjonowania systemu nawigacji satelitarnej GPS.

12 Roboty Expert są przeznaczone do wykonywania zadań głównie w samolotach, pociągach, autobusach i w tym obszarze nie ma obecnie na świecie konstrukcji, która mogłaby im dorównać. Roboty: Inspector i Expert produkcji PIAP Prawie 3-metrowy zasięg manipulatora (w tym ramię wysuwne), prędkość ponad 2 km/h, łatwość transportu w typowych pojazdach, małe walizkowe stanowisko operatora, unikatowe rozwiązania elektroniczne i zaawansowana graficzna wizualizacja danych, to tylko niektóre czynniki pokazujące, że robot Expert jest czołową konstrukcją w obszarze urządzeń kompaktowych.

13 Robot ten charakteryzuje się małymi gabarytami, niewielką masą i dużą prędkością oraz ma możliwość dołączania urządzeń takich jak manipulator z chwytakiem lub dodatkowe kamery, czy też różnego rodzaju czujniki lub uzbrojenie. Główną częścią robota jest baza mobilna, na którą składają się podwozie oraz umieszczone na nim dwie kamery: przednia (obrotowa) oraz tylna. Obie kamery wyposażone są we własne oświetlacze podczerwone. Przyjęte rozwiązanie zapewnia niewielkie wymiary i mały ciężar robota, dzięki czemu robot Scout może być transportowany w typowym plecaku wojskowym. Robot Scout produkcji PIAP Ze stanowiska operatorskiego możliwe jest sterowanie zarówno robotem, jak i, za pomocą światłowodu, małym manipulatorem. Na robocie możliwe jest zamontowanie silnych oświetlaczy halogenowych, kamery termowizyjnej, kamery na podczerwień.

14 Najnowszym produktem PIAP, jest robot pirotechniczno- rozpoznawczy IBIS. Jest zdalnie sterowanym urządzeniem przeznaczonym nie tylko do inspekcji i neutralizacji improwizowanych ładunków wybuchowych, ale również do realizacji zadań zwiadowczych i czynnego wsparcia działań bojowych. Robot, poruszając się na sześciu niezależnie napędzanych kołach, sprawnie pokonuje trudne przeszkody terenowe. Manipulator wraz z chwytakiem zapewnia robotowi zasięg przekraczający 3 m oraz dużą przestrzeń roboczą wokół robota. Prawdziwy potencjał robota widoczny jest podczas współpracy z szeroką gamą wyposażenia dodatkowego, tj. z urządzeniem rentgenowskim wyposażonym w system zobrazowania, czujnikiem skażeń chemicznych, wyrzutnikiem pirotechnicznym, urządzeniem do cięcia drutu ostrzowego, urządzeniem do wybijania szyb i wieloma innymi. Urządzenie zostało zbudowane z wykorzystaniem najnowszych technologii, co pozwoliło na uzyskanie niewielkiej masy, dużej niezawodności, dużej funkcjonalności i długiego czasu pracy przy zasilaniu z akumulatorów. Robot IBIS produkcji PIAP

15 Mini Andros firmy Remotec Firma Remotec jest producentem robota Mini Andros, który jest małym robotem o masie 64 kg i maksymalnym udźwigu 18 kg. Cechą charakterystyczną tego robota, są uchylne gąsienice przednie i tylne, zwiększające możliwości mobilne urządzenia.

16 Irlandzka firma Kentree została niedawno sprzedana firmie PW Allen-Vanguard. Pod nowym szyldem produkuje ona znanego od wielu lat robota HOBO. Mimo niezmienionego wyglądu zewnętrznego, całkowicie zmieniono elektroniczne układy sterowania robota i stanowisko operatorskie, które w obecnej wersji mieści się w małej walizce. Robot, o masie 228 kg, porusza się z prędkością maksymalną 4 km/h. HOBO firmy Kentree Manipulator pozwala podnosić ładunki o masie maksymalnej 75 kg. Robot porusza się na sześciu kołach o niezależnym napędzie. Każda z trzech osi ma również niezależne zawieszenie.

17 Firma ABP od wielu lat produkuje roboty Bison oraz Cyklops. Robot Bison jest dużym robotem o masie 210 kg, poruszającym się na czterech kołach z prędkością maksymalną 4 km/h. Urządzenie ma manipulator o 2 stopniach swobody, z możliwością instalacji różnego typu chwytaków oraz uzbrojenia. Robot może przenosić ładunki o masie do 100 kg. Bison firmy ABP Robot Cyklops jest małym robotem o masie ok. 30 kg, poruszającym się na gąsienicach z prędkością do 5 km/h, natomiast na kołach aż do 8 km/h. Manipulator o 3 stopniach swobody zapewnia wysuw na odległość 2 m. Niedawno ABP zaprezentowało nową konstrukcję będącą rozwinięciem robota Cyklops.

18 Roboty rzucane Zdjęcie zrobione podczas rzutu robotem SpyBowl SpyBowl jest urządzeniem rzucanym lub kulanym w kierunku podejrzanego celu. Urządzenie jest wykonane w postaci aluminiowego korpusu w kształcie kuli o średnicy 115 mm, otoczonego gumowym poszyciem. Konstrukcja taka pozwala na przenoszenie dużych, powtarzających się obciążeń. SpyBowl jest wyposażony w cztery kamery, pozwalające uzyskać statyczny obraz oraz mikrofony przekazujące dźwięk. Urządzenie może obracać się wokół własnej pionowej osi z prędkością 12,5 /s, co pozwala na obserwacje całego otoczenia w sposób dynamiczny. Ponadto obraz można oglądać niezależnie z każdej kamery. Całe urządzenie jest włączone podczas rzutu i może transmitować obraz do operatora.

19 Podobnym konstrukcyjnie urządzeniem jest Eye Boll R1, zaprojektowane do rzucania na odległość 50 m, kulania oraz zrzucania. Służy do transmisji audio i video w czasie rzeczywistym. Urządzenie jest wyposażone w jedną kamerę, dającą obraz dobrej jakości do 23 m. W celu zebrania kompletnej informacji o otoczeniu urządzenie obraca się wokół własnej osi z prędkością 4 obr/min. Dzięki dodatkowemu oprogramowaniu można uzyskać widok panoramiczny. Eye Boll Ponadto urządzenie ma oświetlacze bliskiej podczerwieni o zasięgu 8 m, dzięki czemu kamera widzi w ciemności. Mikrofon ma zasięg 5 m. Czas pracy urządzenia na bateriach wynosi 2 h, a w stanie czuwania 24 h. Transmisja radiowa audio i video odbywa się na częstotliwości 2,4 GHz na odległość do 125 m, w zależności od otoczenia.

20 Recon Scout Jest to robot mobilny dwukołowy o korpusie tytanowym i kołach z tworzywa sztucznego uretanowego. Taka konstrukcja pozwala na rzucanie robotem na odległość 31,5 m i zrzucanie go z wysokości 9,1 m. Jazdę do przodu umożliwia mu tzw. ogon, będący podporą robota. Parametry robota są następujące: szerokość 187 mm, średnica kół 76 mm, prędkość jazdy 1,1 km/h, zasięg w budynku do 30 m, na zewnątrz do 76 m, czas pracy 1 h. Robot jest wyposażony w kamerę czarno-białą. Dzięki niewielkim wymiarom udało się uzyskać małą masę całego urządzenia równą 0,544 kg.

21 EyeDrive Czterokołowy robot produkcji izraelskiej (z możliwością zakładania gąsienic) obsługiwany przez jednego operatora. Robot może być przerzucany przez przeszkody lub wrzucany przez okna do wysokości 3 m. System kamer pozwala uzyskać obraz panoramiczny o rozdzielczości 2500x570 pikseli. Mikrofon przekazuje dźwięki z odległości 10m. Zasięg robota w budynku wynosi 70 m, a poza nim 300 m. Czas pracy robota na akumulatorach wynosi 3 h, a czuwania 24 h. Masa robota jest równa 2,3 kg, możliwe jest przenoszenie dodatkowych ładunków (czujników, ładunków wybuchowych) o masie do 3 kg. Wymiary robota wynoszą 26x16x10 cm.

22 Borenstein J., Everett H. R., Feng L. Where am I? Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning. University of Michigan, Michigan, Giergiel M. J., Hendzel Z., Żylski W. Modelowanie i sterowanie mobilnych robotów kołowych. Polskie Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, R.Czupryniak, P.Szynkarczyk, M.Trojnacki: Tendencje rozwoju mobilnych robotów lądowych; Pomiary Automatyka Robotyka; 7-8/2008 Granosik G. Roboty mobilne. Materiały wykładowe Lambercy F., Caprari G.: Khepera III manual. K-Team S.A, Yverdon-les-bains, Szwajcaria, wydanie 2.2.