Efektywność działania zawieszenia hydropneumatycznego w świetle badań teleoperowanej Bezzałogowej Platformy Lądowej

Transkrypt

1 BARTNICKI Adam 1 MUSZYŃSKI Tomasz 2 RUBIEC Arkadiusz 3 Efektywność działania zawieszenia hydropneumatycznego w świetle badań teleoperowanej Bezzałogowej Platformy Lądowej WSTĘP Decydującym czynnikiem o aplikacyjności Bezzałogowych Platform Lądowych BPL jest ich wysoka zdolność do: pokonywania przeszkód terenowych (dojazd do i powrót ze strefy zagrożenia) oraz wykonywania czynności technologicznych bezpośrednio w strefie niebezpiecznej. Układ zawieszenia BPL w istotny sposób decyduje o jego zdolności do wykonywania zadań [1,2,3,4]. Jest on wykorzystywany na każdym etapie prowadzenia pracy (jazda, czynności technologiczne). Specyfika działań wykonywanych przy pomocy BPL pozwoliła wytypować trzy zasadniczo różniące się wymagania stawiane wobec ich układu zawieszenia: zdolność do rozwijania wysokich prędkości jazdy (pożądane 10 m/s) przy występowaniu niedużych nierówności podłoża (2 do 5 cm), umożliwiających szybkie dotarcie (dystans do 1500 m) do strefy zagrożenia; jazda po znacznych nierównościach (20 30 cm) i pochyleniach terenu (45 %) przy prędkościach jazdy rzędu 2 3 m/s przemieszczanie się w strefach objętych kataklizmami i klęskami żywiołowymi; zapewnienie zapasu stateczności poprzecznej oraz wzdłużnej robota, przy dużej nierównomierności obciążenia poszczególnych osi wykonywanie czynności technologicznych z wykorzystaniem osprzętów roboczych z możliwością jednoczesnego przemieszczania się. Podczas jazdy pożądane jest zastosowanie zawieszenia podatnego, natomiast zapewnienie wymaganego zapasu stateczności (pracy osprzętami roboczymi) wymaga sztywnego połączenia osi kół robota z ramą. Tempo realizacji działań z wykorzystaniem BPL wymaga szybkiej zdolności adaptacji robota do zmiennych warunków terenowych [5,6,7,8,9]. Niedopuszczalne jest rekonfigurowanie (wymiana elementów) układu zawieszenia podczas wykonywania akcji. Dlatego coraz częściej wykorzystywane są w tym celu hydropneumatyczne układy zawieszeń. Zapewnienie robotowi wysokiego poziomu mobilności wymaga odpowiedniego ukształtowania ich charakterystyki. Brak człowieka znajdującego się bezpośrednio na pokładzie BPL powoduje, że istniejące wytyczne [10,11] powstałe dla maszyn i pojazdów załogowych, w tym przypadku [12] są nieadekwatne. Analiza literatury [10,13] pokazuje, że objętość nominalna akumulatorów hydraulicznych jest głównym czynnikiem wpływającym na skuteczność i efektywność działania układu zawieszenia. 1. BEZZAŁOGOWA PLATFORMA LĄDOWA Zespół Instytutu Budowy Maszyn Wojskowej Akademii Technicznej opracował koncepcję i zaprojektował teleoperowaną ciężką Bezzałogową Platformę Lądową (rys. 1), dedykowaną do prowadzenia działań ratowniczych w strefach bezpośredniego zagrożenia dla zdrowia i życia człowieka. 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. J. Dąbrowskiego, Warszawa, ul. Gen. S. Kaliskiego 2. tel , adam.bartnicki@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna im. J. Dąbrowskiego, Warszawa, ul. Gen. S. Kaliskiego 2. tel , tomasz.muszynski@wat.edu.pl 3 Wojskowa Akademia Techniczna im. J. Dąbrowskiego, Warszawa, ul. Gen. S. Kaliskiego 2. tel , arkadiusz.rubiec@wat.edu.pl 213

2 Rys. 1. Widok Bezzałogowej Platformy Lądowej opracowanej w Wojskowej Akademii Technicznej Jest to konstrukcja trzyosiowa 6 - cio kołowa o masie całkowitej 2800 kg z niezależnym napędem każdego z kół. Platformę wyposażono w specjalnie zaprojektowane dwa osprzęty robocze: manipulatorowy o udźwigu 200 kg oraz ładowarkowy o udźwigu 1000 kg. Uwzględniając ilość dostępnego miejsca oraz podatność obsługową zdecydowano o zastosowaniu w robocie zawieszenia z wahaczami wzdłużnymi w którym: wahacze przedniej osi będą niezależne i połączone będą za pomocą amortyzatorów hydropneumatycznych z nadwoziem robota; koła osi środkowej i tylnej będą znajdowały się na wspólnym wahaczu, który połączony będzie obrotowo z nadwoziem robota. 2. MODEL SYMULACYJNY W ostatnich latach nastąpił znaczny rozwój numerycznych metod rozwiązywania problemów naukowych i inżynierskich [10,13,14,15]. Dyskretyzacja modeli złożonych struktur układów mechanicznych przy współczesnym poziomie zaawansowania komputerów nie stanowi problemu. Do oceny wpływu pojemności akumulatorów hydraulicznych na charakterystykę zawieszenia BPL opracowano jej model symulacyjny (rys. 2). Składa się on z dwóch zasadniczych podmodeli: modelu elementów mechanicznych - full vehicle model; modelu instalacji podzespołów hydropneumatycznych. Rys. 2. Schemat blokowy modelu BPL Model podzespołów mechanicznych obejmuje więzy kinematyczne (obrotowe i liniowe) łączące poszczególne jego elementy oraz ich właściwości masowe. Natomiast model układu hydraulicznego właściwości i cechy instalacji hydraulicznej zawieszenia. Oba podmodele zostały ze sobą połączone dl w pętli sprzężenia zwrotnego za pomocą parametrów WE/WY (zmiany długości L i, prędkości i dt oraz siły efektywnej F Si poszczególnego amortyzatora zawieszenia przedniej osi robota). 214

3 Model struktury mechanicznej (rys. 3) wykonano metodą układów wieloczłonowych w programie MSC.Adams/View. Przy jego opracowywaniu przyjęto następujące założenia upraszczające: całkowita masa wynosi m T = 2800 kg, przy czym masa nadwozia m r = 2465 kg; odległość między osiami kół przednich i środkowych jest równa odległości pomiędzy osiami kół środkowych oraz tylnych i wynosi L = 1,1 m; środek ciężkości robota znajduje się w odległości L G = 1 m od przedniej osi i na wysokości h G = 0,7 m względem podłoża; podłoże po którym porusza się pojazd jest nieodkształcalne; uwzględniono sztywność promieniową opony (ugięcie statyczne 0,05 m) oraz bezwymiarowy współczynnik tłumienia = 0,15, na podstawie których wyznaczono współczynniki sztywności k o i tłumienia c o promieniowego kół; uwzględniono masy nieresorowane poszczególnych osi, których całkowita wartość wynosi m U = 335 kg. Rys. 3. Model struktury kinematycznej robota: a) widok z przodu, b) widok z boku Model układu instalacji hydraulicznej (rys.4) obejmuje wszystkie niezbędnych do funkcjonowania elementy. Opracowany został w programie MSC Easy5. Jego strukturę podzielono na dwie grupy: Circuit 1, Circuit 2. Grupa pierwsza (Circuit 1) obejmuje elementy wyłączone z obiegu podczas pracy zawieszenia, lecz niezbędne do uruchomienia i funkcjonowania modelu (pompa hydrauliczna, zawór bezpieczeństwa, zawory sterujące, zbiornik czynnika roboczego) i dlatego szerzej nie jest opisana. Rys. 4. Model układu hydraulicznego zawieszenia opracowany w programie Easy5 Grupa druga (Circuit 2) zawiera modele elementów biorących udział w procesie pracy zawieszenia (siłownik hydrauliczny, akumulator hydrauliczny, zawór dławiący, przewody hydrauliczne), których wzajemne połączenie odpowiada instalacji przedstawionej na rysunku 5. W obu grupach występuje ten sam model czynnika roboczego oleju mineralnego MIL-H

4 Elementem łączącym model instalacji hydraulicznej z modelem mechanicznym jest siłownik hydrauliczny. Zawieszenie wykonuje ruchy zarówno w kierunku dobijania jak również odbijania, dlatego wykorzystano siłownik dwustronnego działania. Rys. 5. Elementy Circuit 2 modelu: a) schemat ideowy, b) podmodel Circuit 2 wykonany w programie Easy5 3. BADANIA NUMERYCZNE W celu zbadania wpływu objętości nominalnej akumulatorów hydraulicznych na zdolność zawieszenia do niwelowania obciążeń dynamicznych, przeprowadzono próbę polegającą na prostopadłym wjechaniu na i zjechaniu robota z ścianki pionowej o wysokości 0,15 m (rys.6). Rys. 6. Przekrój poprzeczny ścianki wykorzystanej podczas testu jako wymuszenie kinematyczne Model w teście poruszał się z prędkościami jazdy: 3, 6 oraz 9 km/h. W trakcie badań zmieniano objętość nominalną zgodnie z typoszeregiem membranowych akumulatorów hydraulicznych firmy HYDAC. Rozpatrywane były objętości wynoszące: 0.5, 0.6, 0.7 dm 3. Podczas wykonywania próby wjazdu na i zjazdu wszystkimi kołami platformy z ścianki rejestrowano zmiany długości siłowników L S zawieszenia oraz ciśnienia p i objętości V A w akumulatorze. Przykładowy przebieg czasowy zmiany wartości ciśnienia w akumulatorze podczas wjazdu z prędkością 6 km/h przedstawiono na rysunku 7. Przyjęta masa całkowita robota oraz struktura kinematyczna zawieszenia przedniej osi powodują, że aby uzyskać symetryczne odkształcenia membrany akumulatora podczas pracy należy je naładować wstępnie azotem pod ciśnieniem p 0 = 24 bar. Wyniki uzyskane podczas próby wjazdu na i zjazdu ze ścianki pionowej zestawiono w tabeli 1 (1 dobijanie, 2 odbijanie zawieszenia). Tab. 1. Wyniki uzyskane podczas badań numerycznych V = 3 km/h V = 6 km/h V = 9 km/h L S, cm p, bar V A, cm 3 L S, cm p, bar V A, cm 3 L S, cm p, bar V A, cm V 0 =0,5dm 3 p 0 =24 bar 3,3 3,8 6,5 6, ,1 5,0 13,0 12, ,6 5,0 14,7 11, V 0 =0,6dm 3 p 0 =24 bar 3,0 3,8 8,9 8, ,2 4,0 9,7 10, ,8 4,9 12,3 10, V 0 =0,75dm 3 p 0 =24 bar 3,1 3,8 7,3 6, ,2 4,5 7,7 8, ,0 4,8 12,1 8,6 63,

5 Rys. 7. Zmiany wartości ciśnienia w akumulatorach podczas: a) wjazdu na ściankę, b) zjazdu ze ścianki z prędkością jazdy 6 km/h 4. BADANIA EKSPERYMENTALNE Na podstawie badań symulacyjnych zastosowano w układzie zawieszenia przedniej osi BPL (rys. 1) akumulator hydrauliczny o pojemności nominalnej V 0 = 0,6 dm 3, przy ciśnieniu wstępnym naładowania gazem wynoszącym p 0 = 24 bar. Zweryfikowanie poprawności przyjętych podczas opracowywania modelu założeń upraszających oraz uzyskanych wyników (rys.7 i tab.1) wymagało przeprowadzenia badań eksperymentalnych na zbudowanym demonstratorze technologii (rys.1). W tym celu opracowano i zbudowano układ pomiarowy (rys.8) w skład którego wchodzą: komputer rejestrujący pomiary; system akwizycji danych IOTech Personal DAQ 3005; 2 x czujniki do pomiaru ciśnienia panującego w układzie zawieszenia lewego i prawego KOBOLD SEN-8700 o zakresie pomiarowym bar oraz klasie wykonania 0,5; 2 x transformatorowe czujniki przemieszczeń liniowych do pomiaru zmian długości siłowników hydraulicznych zawieszenia lewego i prawego Peltron PJx400 o zakresie pomiarowym mm oraz błędzie pomiarowym 0,5 %; 2 x czujniki przyspieszeń ZEPWN do pomiaru drgań przedniej i tylnej części BPL o zakresie pomiarowym 0-5g oraz klasie wykonania 0,1. Rys. 8. Główne elementy układu pomiarowego zamontowanego na BPL: 1 transformatorowy czujnik przemieszczeń liniowych; 2 czujnik przyspieszeń; 3 system akwizycji danych; 4- czujnik ciśnienia 217

6 W trakcie badań poligonowych (poprzez analogie do prób numerycznych) przeprowadzono serię przejazdów robota (rys. 9) z prędkością 6 km/h przez ściankę pionową utworzoną z trylinek o wysokości 0,15 m. Rys. 9. Widok robota podczas badań poligonowych: a) najazd na ściankę osią przednią (z zawieszeniem hydropneumatycznym); b) zjazd osią przednią z ścianki pionowej Przykładowe zarejestrowane podczas badań eksperymentalnych przebiegi czasowe przedstawiono na rysunkach 10 i 11. Podzielono je na 3 fazy: I obejmuje jazdę po podłożu żwirowym (dojazd do przeszkody); II przejazd przez ściankę pionową; III jazdę po podłożu żwirowym (po zjechaniu z przeszkody). Rys. 10. Przykładowe przebiegi czasowe zmian wartości: a) ciśnienia; b) długości siłownika zawieszenia prawego zarejestrowane podczas próby przejazdu przez ściankę pionową Rys.11. Przykładowe przebiegi czasowe zmian wartości przyspieszeń: a) przedniej części robota; b) tylnej części robota zarejestrowane podczas próby przejazdu przez ściankę pionową 218

7 Największe zmiany wartości ciśnienia oraz długości siłownika w układzie zawieszenia wystąpiły w II fazie ruchu robota (najazd na przeszkodę). Średnio z wszystkich zarejestrowanych prób: a) przy dobijaniu zawieszenia ciśnienie w układzie wzrosło o wartość p = 12 bar, natomiast siłownik skrócił się wówczas o L S = 24 mm; b) przy odbijaniu zawieszenia ciśnienie w układzie zmniejszyło wartość o p = 10 bar, natomiast siłownik wydłużył się wówczas o L S = 20 mm. Różnica w stosunku do analogicznych wyników uzyskanych podczas badań symulacyjnych wynosi: a) przy dobijaniu zawieszenia: p = 5 %, L S = 5 %; b) przy odbijaniu zawieszenia: p = 23 %, L S = 105 %. W trakcie badań nie zauważono natomiast znacznej zmiany wartości zarejestrowanych przyspieszeń (rys.11) w trakcie najechania na przeszkodę (faza II) w stosunku do jazdy po podłożu żwirowym (faza I i III). Maksymalną wartość przeciążenia wyniosła w trakcie badań 1,3 g i wystąpiła w przedniej części robota. wartości RMS zarejestrowanych przyspieszeń wyniosły: dla przedniej części robota 9,95 m/s 2, a dla tylnej 9,88 m/s 2. Tak niewielka wartość przeciążenia świadczy o skutecznym niwelowaniu przez zawieszenie hydropneumatyczne obciążeń dynamicznych podczas jazdy. Wymiernym efektem są niewielkie drgania przenoszone na kamery. WNIOSKI Jednym z kluczowych aspektów decydujących o sukcesie działań prowadzonych z wykorzystaniem robotów jest ich wysoka mobilność. Na jej poziom w istotny sposób wpływa układ zawieszenia. W referacie opisano metodę oceny wpływu pojemności akumulatora hydraulicznego na efektywność działania zawieszenia BPL. Porównując wartości uzyskane podczas próby wjazdu na i zjazdu z ścianki pionowej o wysokości 15 cm, najbardziej zmieniającą się wielością (różnice sięgające 38 %) jest ciśnienie. Maksymalny przyrost (w stosunku do wartości statycznej) wystąpił podczas wjazdu na ściankę z prędkością 9 km/h i najmniejszym akumulatorze o objętości nominalnej 0,5 dm3 i wynosił p =14,7 bar. Wraz ze wzrostem objętości nominalnej akumulatorów (dla każdej prędkości jazdy) wartość przyrostu ciśnienia malała. Zastosowanie akumulatora o większej pojemności powoduje zatem zmniejszenie obciążeń dynamicznych podczas jazdy. Największe różnice długości siłowników (tym samym sztywności) układu zawieszenia wystąpiły również przy prędkości 9 km/h. Maksymalna wartość w przypadku dobijania zawieszenia LS wyniosła 4 cm (V0 = 0,75 dm3), co stanowi 25 % całkowitego skoku siłownika zawieszenia (16 cm). W przypadku odbijania (zjazd z ścianki) ważne jest jak najszybsze zapewnienie kontaktu kół z podłożem. Porównując przebiegi czasowe (rys.7b) oraz wyniki (tab.1) proces ten jest efektywniej realizowany gdy w układzie zastosowany jest akumulator o mniejszej objętości. Badania eksperymentalne przeprowadzone na zbudowanym demonstratorze technologii robota, pokazały znaczne zbliżenie uzyskanych wyników do badań numerycznych. Znaczne różnice wystąpiły przy odbijaniu zawieszenia podczas zjazdu ze ścianki. Zmiana długości siłownika była znacznie mniejsza niż w badaniach symulacyjnych, przy zaledwie 23 % zmianie wartości ciśnienia. Dokładniejsze odzwierciedlenie w modelu, zjawisk zachodzących w instalacji hydraulicznej zawieszenia wymaga przeprowadzenia dodatkowych badań na obiekcie fizycznym. Niewielka wartość przeciążenia (RMS zarejestrowanych przyspieszeń) świadczy o skutecznym niwelowaniu przez zawieszenie hydropneumatyczne obciążeń dynamicznych podczas jazdy. Wymiernym tego efektem są niewielkie drgania przenoszone na kamery. Streszczenie Referat opisuje przykłady wykorzystywania Bezzałogowych Platform Lądowych (BPL) jako wspierających bądź zastępujących człowieka w wykonywaniu zadań niebezpiecznych. Przeważnie są to działania prowadzone w niesprzyjających warunkach, w bardzo ciężkim terenie. Efektywne wykorzystanie BPL wymaga jej dużej zdolności do pokonywania przeszkód terenowych, rozwijania dużych sił przyczepności i uciągu oraz wysokiej stabilności i stateczności. Różnorodność wykonywanych misji z użyciem BPL pociąga za sobą konieczność 219

8 zastosowania w nich rekonfigurowalnych sterowanych układów zawieszeń. Możliwe jest to do osiągnięcia dzięki wykorzystaniu w układach ich zawieszeń elementów hydropneumatycznych. Trudność w tym aspekcie stanowi odpowiednie ukształtowanie charakterystyk takich układów. W szczególności brak dostępnych w literaturze wytycznych dla układów zawieszeń teleoperowanych BPL. W referacie przedstawiono numeryczną metodę kształtowania charakterystyki hydropneumatycznego zawieszenia. Otrzymane wyniki badań modelu zostały następnie zweryfikowane podczas badań doświadczalnych przeprowadzonych na obiekcie fizycznym. Dodatkowo w badaniach eksperymentalnych ocenie uległy wartości przyspieszeń jakie poprzez bryłę nadwozia oddziałują na kamery systemu teleoperacji. Słowa kluczowe: mobilność, zawieszenia hydropneumatyczne, badania numeryczne, badania eksperymentalne Hydropneumatic suspension efficiency in terms of teleoperated UGV research Abstract More often Unmanned Ground Vehicles (UGV) support or replace human in dangerous tasks performing. Usually this operations are realizing in hard conditions in rough terrain. UGVs effectively use determines its ability to obstacle negotiating, to reach high adhesion force, drawbar pull and extra longitudinal and lateral stability of UGV. Variety missions determining of use in UGVs reconfigurable and control suspension system. It is able to meet this requirement thanks to use hydropneumatic components in them suspension system. However currently it is very hard to developed characteristic of such a suspension systems. In literature there is no clear guidelines for suspension systems of teleoperated UGVs. This paper presents results of hydropneumatic suspension system research on heavy UGV. Keywords: mobility, hydropneumatic suspension, simulation, experimental research BIBLIOGRAFIA 1. W. Borkowski, P. Rybak, B. Michałowski: Influence of tracked vehicle suspension type on dynamic loads of crew and inside equipment, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.13, No.4, (2006), pp P.E. Uys, P.S Els, M. Thoresson: Suspension settings for optimal ride comfort of off-road vehicles travelling on roads with different roughness and speeds, Journal of Terramechanics, vol.44, Issue 2, April Z. Dąbrowski, J. Dziurdz, G. Klekot: Studies on propagation of vibroacoustic energy and its influence on structure vibration in a large-size object, ARCHIVES OF ACOUSTICS Vol. 32 Issue 2, (2007) pp M. Amanowicz, W. Kołosowski, P. Gajewski, M. Wnuk: Land mobile communication systems engineering, IEEE Africon: 4th Africon Conference in Africa, (1996) pp J. Garus: Power Distribution in Propulsion Systems of Semiautonomous Underwater Vehicle, Mechatronic Systems, Mechanics and Materials Vol. 180, (2012), pp W. Gierusz: Simulation model of the shiphandling training boat "Blue Lady", Control Applications in marine systems, (2002), pp Z. Gosiewski: Formation Flight Control Scheme for Unmanned Aerial Vehicles, Robot Motion and Control, Lecture Notes in Control and Information Sciences Vol. 422, (2012), pp K. Stefański, Z. Koruba: Analysis of the guiding of bombs on ground targets using a gyroscope systems, Journal of Theoretical and Applied Mechanics Vol. 50, Issue 4, (2012), pp J. Lisowski: The optimal and safe ship trajectories for different forms of neutral state constraints, Mechatronic Systems, Mechanics and Materials Vol. 180, Solid State Phenomena, (2012), pp M. J. Łopatka, T. Muszyński, A. Rubiec: Preliminary simulations of high mobility IED resistance suspension with casting arms, Mechatronic Systems, Mechanics and Materials II, Solid State Phenomena Vol. 210, (2014), pp ISO Standard: Mechanical vibration and shock evaluation of human exposure to whole body vibration 12. A. Bartnicki, P. Sprawka, A. Rubiec: Remote control system for rescue robot, Mechatronic Systems, Mechanics and Materials II, Solid State Phenomena Vol. 210, (2014), pp

9 13. A. Bartnicki, M. J. Łopatka, T. Muszyński, A. Rubiec: Stiffness evaluation of fire rescue robot suspension with hydropneumatic components, Mechatronic Systems, Mechanics and Materials II, Solid State Phenomena Vol. 210, (2014), pp M. J. Łopatka, T. Muszyński, A. Rubiec: Simulation identification of fire rescue robot suspension loads, IEEE Proceedings of 18th International Conference On Methods and Models in Automation and Robotics MMAR, (2013), pp P. Szymak: Comparison of Centralized, Dispersed and Hybrid Multiagent Control Systems of Underwater Vehicles Team, Mechatronic Systems, Mechanics and Materials Vol. 180, Solid State Phenomena, (2012), pp