POMIAR PARAMETRÓW RUCHU POJAZDU PODWOD- NEGO Z NAPĘDEM FALOWYM Z WYKORZYSTANIEM INERCYJNEGO CZUJNIKA POŁOŻENIA

Transkrypt

1 M a r c i n M a l e c 1, M a r c i n M o r a w s k i 2, P i o t r S z y m a k 3, 1 P o l i t e c h n i k a K r a k o w s k a, J a n a P a w ł a I I 3 7, K r a ków 2 P o l i t e c h n i k a K r a k o w s k a, J a n a P a w ł a I I 3 7, K r a ków 3 A k a d e m i a M a r y n a r k i W o j e n n e j, Ś m i d o w i c z a 6 9, G d y n i a POMIAR PARAMETRÓW RUCHU POJAZDU PODWOD- NEGO Z NAPĘDEM FALOWYM Z WYKORZYSTANIEM INERCYJNEGO CZUJNIKA POŁOŻENIA STRESZCZENIE W niniejszej pracy poruszono problem pomiaru parametrów ruchu pojazdu podwodnego z napędem falowym, wykonanego z użyciem zamontowanego w pojeździe inercyjnego czujnika położenia. W pierwszej części artykułu przedstawiono konstrukcję, budowę i system sterowania mobilnym robotem podwodnym z napędem falowym. Następnie zamieszczono wyniki wstępnych badań eksperymentalnych przeprowadzonych pod kątem testowania wpływu częstotliwości oscylacji oraz wartości amplitudy oscylacji ruchomych członów robota na jego prędkość oraz maksymalne amplitudy kątów Eulera pierwszego członu, czyli głowy. Zaprezentowane wyniki badań ilustrują wpływ parametrów sterujących na kinematykę ruchu bionicznego robota mobilnego, naśladującego swym wyglądem i sposobem poruszania się rybę z rodziny karpiowatych. Słowa kluczowe: bioniczny robot podwodny, napęd falowy, inercyjny czujnik położenia WSTĘP Coraz częściej projektuje się roboty mobilne naśladujące swym wyglądem, sposobem poruszania się oraz zasadami sterowania organizmy żywe powstałe wyniku długotrwałej ewolucji, np. owady, pajęczaki, gady, ryby i ssaki. W ostatnim dziesięcioleciu powstało wiele ciekawych konstrukcji robotów mobilnych naśladujących sposobem poruszania się i kształtem ryby. Jednymi z najbardziej znanych i rozpoznawalnych konstrukcji naśladujących ryby są elektroniczny karp zbudowany przez naukowców z Uniwersytetu Essex (Robocarp) oraz robot skonstruowany przez japońskich naukowców na Uniwesytecie Kitakyushuu (Tai robot kun). Zwiększoną uwagę poświęca się zagadnieniom kinematyki napędu falowego. H. Kim i inni w swojej pracy [1] skupili się na analizie sposobu poruszania się 1

2 Marcin Malec, Marcin Morawski, Piotr Szymak żywej ryby oraz zaproponowali opis matematyczny w postaci równań Lagrange a mechanizmu ogona złożonego z czterech szeregowo połączonych członów. Podobne podejście do problemu reprezentuje L. Zang i inni w pracy [2]. Zespół skupił się na opracowaniu optymalnego mechanizmu zmiany głębokości, wykorzystującego płetwy boczne i regulator bazujący na metodach logiki rozmytej. W niniejszej publikacji przedstawiono podstawowe założenia dotyczące budowy i sterowania robota mobilnego, imitującego swym wyglądem i sposobem ruchu ryby z rodzaju karpiowatych. Zaprezentowano aplikację sterującą, główne elementy konstrukcji oraz wyniki wstępnych badań orientacji robota mobilnego w trakcie ruchu z wykorzystaniem inercyjnego czujnika położenia (ang. IMU Inertial Measurement Unit). KONSTRUKCJA MOBILNEGO ROBOTA PODWODNEGO Z NAPĘDEM FALOWYM Podobnie jak pierwsza wersja CyberRyby [3], wersja robota wykorzystana w przedstawionych dalej badaniach (Rys. 1) posiada korpus złożony z czterech elementów - głowy oraz trzech członów części ogonowej. Części składowe korpusu zostały zaprojektowanie przy użyciu programu narzędziowego CATIAv5. Całość wykonano technologią szybkiego prototypowania (ang. rapid prototyping) FDM (ang. Fluid Deposition Modeling), przy użyciu materiałów z grupy akrylonitrylbutadien-styren (ABS). Część główna, podobnie jak pozostałe segmenty części ogonowej połączono za pomocą obrotowych par kinematycznych piątej klasy. Główne parametry techniczne podwodnego robota mobilnego z napędem falowym przedstawia Tabela 1. Tabela 1. Parametry techniczne CyberRyby wer.3 parametr długość wysokość szerokość z płetwami bocznymi szerokość bez płetw bocznych masa pojemność akumulatora czas pracy wartość 588 [mm] 233 [mm] 188 [mm] 90 [mm] 2.77 [kg] 1.8 [Ah] >2 [h] W części ogonowej umiejscowiono serwomechanizmy realizujące ruch wahliwy odpowiedniego członu za pośrednictwem przekładni zębatej. W przedniej części CyberRyby znajduje się system zanurzania oparty na elastycznym zbiorniku balastowym, spełniającym funkcję pęcherza pławnego sztucznej ryby, dzięki które- 2 Zeszyty Naukowe AMW

3 Pomiar parametrów ruchu pojazdu podwodnego z napędem falowym z wykorzystaniem inercyjnego czujnika położenia mu robot jest wstanie zmienić swoją pływalność. Dla zwiększenia dynamiki wynurzania i zanurzania robota, został on zaopatrzony w sterowane płetwy boczne umożliwiające zwiększenie prędkości zmiany głębokości podczas ruchu pojazdu. Wewnętrzny układ sterujący wykonano w oparciu o mikrokontroler Atmega 128. Robot posiada wbudowane: czujniki poczerwieni, realizujące pomiar odległości od przeszkody, czujnik ciśnienia, umożliwiający pomiar głębokości pływania, czujnik temperatury oraz inercyjny czujnik położenia VN-100. W skład czujnika VN-100 wchodzą następujące układy scalone: 3-osiowy akcelerometr, 3-osiowy żyroskop i 3-osiowy magnetometr. Sygnały z układów scalonych są poddawane kalibracji temperaturowej oraz filtracji przez rozszerzony filtr Kalmana (ang. EKF - Extended Kalman Filter). Czujnik posiada następujące parametry rejestracji zmian kątowych względem trzech osi symetrii: wzdłużnej osi symetrii, tzw. przechylanie (ang. Roll), poprzecznej osi symetrii, tzw. przegłębianie (ang. Pitch), pionowej osi symetrii, tzw. myszkowanie (ang. Yaw): zakres zmian kątowych: 500 /s, stabilność przy braku zmian: <100 /h, rozdzielczość: <0,01 /s. Komunikacja z komputerem zewnętrznym odbywa się przy udziale dwóch identycznych zestawów modułów radiowych ISM 868MHz, realizujących dwukierunkową szeregową transmisję danych z prędkością 57600bps. Rys. 1 CyberRyba w wersji 3 podczas testów w basenie pływackim APLIKACJA STERUJĄCA System sterowania CyberRybą ma strukturę dwupoziomową. Wewnętrzny układ sterujący (system podrzędny), realizuje zadane przez komputer (system nad

4 Marcin Malec, Marcin Morawski, Piotr Szymak rzędny) sekwencje ruchów poszczególnych napędów oraz pomiar i transmisję danych z czujników znajdujących się na pokładzie robota. System nadrzędny stanowi aplikacja PC typu Windows Forms Application, która umożliwia użytkownikowi pełną kontrolę nad parametrami ruchu całej sekcji ogonowej robota zmiany amplitudy, częstotliwości oscylacji oraz punktu zerowego oscylacji wszystkich części ogona równocześnie lub niezależną ingerencję w parametry poszczególnych sekcji (Rys. 2). Informacje dotyczące temperatury i ciśnienia statycznego wody, stanu rozładowania baterii, odległości od przeszkody oraz parametrów ruchu mierzonych przez układ VN-100 są rejestrowane i przesyłane do stanowiska operatora. Rys. 2. Okno aplikacji sterującej POMIAR PARAMETRÓW RUCHU Badania parametrów ruchu robota mobilnego z napędem falowym wykonano w basenie prostokątnym o wymiarach 4000mm x 2000m i głębokości 600mm. Pomiar polegał na rejestracji położeń kątowych przy pomocy inercyjnego czujnika orientacji VN-100 wokół trzech osi kartezjańskiego układu współrzędnych związanego z robotem (Rys. 3) z częstotliwością próbkowania wynoszącą 5 Hz. 4 Zeszyty Naukowe AMW

5 Pomiar parametrów ruchu pojazdu podwodnego z napędem falowym z wykorzystaniem inercyjnego czujnika położenia Rys. 3. Układ kątów Eulera w robocie podwodnym Badania obejmowały rejestrację parametrów ruchu od miejsca startu skrajne położenie robota w basenie, do końcowej ściany basenu tj. na długości 3412 mm. Przeprowadzono pięć serii pomiarów dla zmiennych amplitud wychyleń każdej z sekcji ogona (13º, 16º, 19º, 22º, 25º). Dla każdej amplitudy dokonano pięciu prób z różnymi wartościami częstotliwości oscylacji części ogonowej (0,7Hz; 0,8Hz; 0,9Hz; 1,0Hz; 1,1Hz). W celu wyeliminowania błędu grubego, dla każdego zestawu parametrów przeprowadzono trzy powtórzenia, co w rezultacie dało 75 prób. Przykładowy pomiar zarejestrowanych parametrów ruchu ilustruje Rys. 4. Rys. 4. Przykładowy przebieg zmian kątów Yaw, Pitch, Roll w czasie ruchu robota wzdłuż linii prostej Przy oszacowaniu prędkości poruszania się robota istotnym było określenie czasu płynięcia na podstawie danych zarejestrowanych przez czujnik inercyjny, mając na uwadze częstotliwość próbkowania wynoszącą 5Hz oraz zarejestrowane

6 Marcin Malec, Marcin Morawski, Piotr Szymak przez aplikację pomiarową interwały pomiędzy kolejnymi punktami pomiarowymi. Algorytm rozpoznawania startu i stopu poległ na określeniu wartości progu amplitudy, dla której można było jednoznacznie rozróżnić stan dryfowania robota od realizowanego ruchu. W przypadku analizy kątów Pitch problematyczne stawało się oddzielenie tych dwóch stanów w aspekcie całego eksperymentu tj. 75 prób, z uwagi na charakter oscylacji i mały zakres zmian amplitud kątów Pitch dla różnych parametrów ruchu. Z uwagi na zmianę kursu robota zwłaszcza dla małych częstotliwości oscylacji i dużych wartości amplitud zaproponowany algorytm nie zapewniał także poprawnego określenia czasu ruchu dla analizy kątów Yaw. Mając powyższe na uwadze zdecydowano się określać czas płynięcia na podstawie analizy zmiany kątów Roll, dla których dobierając odpowiednią wartość progu, można jednoznacznie określić moment startu i zatrzymania robota dla wszystkich przeprowadzonych pomiarów. Na podstawie zmierzonego czasu odpowiadającego chwili startu i stopu określono prędkości płynięcia robota mobilnego z napędem falowym w funkcji zmiany częstotliwości dla pięciu wartości amplitud wychyleń członów ogona. Wyniki obliczeń prezentuje Rys. 5. Rys. 5. Wykres zmiany prędkości w funkcji zmian częstotliwości oscylacji ogona dla różnych wartości amplitud wychyleń członów Analizując wyniki dla zadanych parametrów ruchu można zaobserwować wzrost prędkości płynięcia przy zwiększaniu częstotliwości oscylacji. Dla amplitudy A=13º wzrost prędkości odnotowano na poziomie ΔV A=13 =0,078m/s, co stanowi wzrost prędkości o 87,6% względem prędkości V A=13 =0,08m/s, odpowiadającej najmniejszej częstotliwości oscylacji. Dla maksymalnej wartości amplitudy A=25º 6 Zeszyty Naukowe AMW

7 Pomiar parametrów ruchu pojazdu podwodnego z napędem falowym z wykorzystaniem inercyjnego czujnika położenia ΔV A=25 =0,15m/s, co stanowi 84,2% w odniesieniu do prędkości V A=25 =0,17m/s, odpowiadającej oscylacji na poziomie 0,7Hz. W rozpatrywanym zakresie zmian parametrów ruchu wzrost częstotliwości i amplitudy oscylacji powoduje wzrost prędkości płynięcia robota mobilnego z napędem falowym. Obserwując procentowy wzrost prędkości dla różnych amplitud można spodziewać się, iż prędkość płynięcia w większym stopniu będzie zależała od zmiany częstotliwości oscylacji. Podobną tendencję można zaobserwować u naturalnych mieszkańców wód. Dla małych prędkości amplituda wychyleń części ogonowej jest duża, natomiast częstotliwość oscylacji mniejsza w porównaniu do ruchu szybkiego, kiedy to częstotliwość oscylacji rośnie a amplituda maleje. Analizie poddano również zmianę amplitud kątów Yaw, Pitch oraz Roll w zależności od zmian częstotliwości i amplitud oscylacji członów ogona. Zmianę wartość kątów Yaw ilustruje Rys. 6. Rys. 6. Wykres zmiany amplitudy kąta Yaw w funkcji zmian częstotliwości oscylacji ogona dla różnych wartości amplitud wychyleń członów Obserwując wyniki można stwierdzić, iż wraz ze wzrostem częstotliwości oscylacji maksymalne zmiany kątów Yaw maleją, tendencja ta jest zachowana dla wszystkich pięciu wartości amplitud. Analizując zmiany amplitudy dostrzegamy tendencję rosnącą. Dla maksymalnej amplitudy A=25º zmiana kątów w zależności od częstotliwości oscylacji waha się w przedziale od 15,79º dla 0,7 Hz do 13,12º dla 1,1Hz, z kolei zakres zmian Yaw dla amplitudy A=13º w zależności od częstotliwości oscylacji waha się w przedziale 8,66º do 7,62º dla maksymalnej prędkości poruszania ogona. Uogólniając, obserwujemy wzrost amplitudy kątów Yaw w stosunku

8 Marcin Malec, Marcin Morawski, Piotr Szymak do wzrostu amplitudy wychyleń członów napędowych i tendencję malejącą w odniesieniu do częstotliwości oscylacji. Podobna sytuacja występuje dla kątów Pitch (Rys. 7) jednak w tym przypadku zakres zmian wartości kątów waha się w granicach 3º stopni. Wpływ amplitudy oscylacji części ogonowej robota nie ma tak silnego oddziaływania na amplitudy kątów Pitch, obserwujemy tendencję malejącą w funkcji częstotliwości oscylacji dla pięciu serii od A=13º do A=25º. Rys. 7. Wykres zmiany amplitudy kąta Pitch w funkcji zmian częstotliwości oscylacji ogona dla różnych wartości amplitud wychyleń członów. Analizując wykres zmian kątów Roll, zaobserwowano bardzo silne odziaływanie zmiany częstotliwości oscylacji na maksymalne wychylenie przedniej części ryby. Maksymalna wartość amplitudy wynosi Roll A=25º =13,90º dla f=0.7 Hz, natomiast minimalna dla tej samej amplitudy f=1,1 Hz równa jest Roll A=25º =1,27º zatem ΔRoll A=25º =10,36. W przypadku najmniejszej amplitudy A=13º mamy odpowiednio wartości Roll A=13º =11,07º i Roll A=13º =2,46º, zatem ΔRoll A=13º =9,61º. W analizowanym przypadku zaobserwowano brak silnego wpływu wartości amplitudy oscylacji na zakres zmian kątów Roll. W rozpatrywanych przypadkach obserwujemy silne zmniejszenie (czterokrotne) zmian amplitud kątowych Roll dla zmiany częstotliwości oscylacji ogona w zakresie od 0,7 Hz do 1,1 Hz. 8 Zeszyty Naukowe AMW

9 Pomiar parametrów ruchu pojazdu podwodnego z napędem falowym z wykorzystaniem inercyjnego czujnika położenia Rys. 8. Wykres zmiany amplitudy kąta Roll w funkcji zmian częstotliwości oscylacji ogona dla różnych wartości amplitud wychyleń członów WNIOSKI Zmiana parametrów ruchu części ogonowej robota mobilnego z napędem falowym bardzo silnie wpływa na zmianę maksymalnej wartości oscylacji kątów Pitch, Yaw, Roll oraz szybkość poruszania się. W rozpatrywanym zakresie zmian obserwujemy wpływ częstotliwości oscylacji członów na średnią prędkość robota. Wraz ze wzrostem częstotliwości i amplitudy, średnia prędkość poruszania się CyberRyby wzrasta niemal liniowo i dla A=25º i f=1,1hz wynosi V A=25 =0,33m/s. W wyniku przeprowadzonych badań, można stwierdzić silne odziaływanie zmian częstotliwości i amplitudy na maksymalne amplitudy kątów Yaw, Pitch, Roll. W zakresie przeprowadzonych badań przemieszczenia kątowe maleją wraz ze wzrostem oscylacji, oddziaływanie to jest najsilniej dostrzegalne dla kątów Roll. Natomiast silny wpływ amplitudy oscylacji obserwujemy dla kątów Yaw. Przeprowadzone testy i analiza wyników utwierdza autorów pracy w przekonaniu o konieczności dalszych badań napędu falowego w większym zakresie zmian parametrów ruchu takich jak amplituda oscylacji, częstotliwość oscylacji oraz wpływ przesunięcia fazowego wychyleń członów na parametry ruchu. Przeprowadzone wstępne badania wpływu częstotliwości i amplitudy oscylacji członów ruchomych na ruch pojazdu podwodnego z napędem falowym stanowią podstawę do dalszych badań nad sterowaniem tego typu obiektami, np. po zadanej trajektorii [4]

10 Marcin Malec, Marcin Morawski, Piotr Szymak BIBLIOGRAFIA [1] Kim H., Lee B., R. Kim, A Study on the Motion Mechanism of Articulated Fish Robot, The 2007 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Proceedings. Harbin (China), 2007, pp , [2] Zhang L., Zhao W, Hu Y., Zhang D., Wang L. Development and Depth Control of Biomimetic Robotic Fish, The 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Proceedings. San Diego, 2007, pp , [3] Szymak P., Malec M., Morawski M., Directions of development of underwater vehicle with undulating propulsion, Polish Journal of Environmental Studies, 2010, vol.19, no 3, p , [4] Szymak P., Malec M., Morawski M., Conception of Research on Bionic Underwater Vehicle with Undulating Propulsion, Solid State Phenomena, 2011, w druku. M E A S U R E M E N T O F T H E M O V E M E N T P A R A M E T E R S O F T H E U N D E R W A T E R V E H I C L E W I T H U N D U L A T I N G P R O P U L S I O N U S I N G I N E R T I A L M E A S U R E M E N T U N I T ABSTRACT In the paper, problem of measuring movement parameters of underwater vehicle with undulating propulsion (using inertial measurement unit IMU mounted on the vehicle) was considered. In the first part of the paper, construction and control system of mobile underwater robot with undulating propulsion was presented. Then, results of preliminary studies carried out to test influence of frequencies and amplitudes of oscillations on the speed and the maximum amplitudes of Euler angles of the first section of the robot, i.e. the head. Presented results of the research illustrate influence of control parameters on kinematics of the bionic mobile robot that mimics subcarangiform fish. 10 Zeszyty Naukowe AMW