научная статья по теме СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ НЕГОЛОНОМНЫМ ОДНООСНЫМ КОЛЕСНЫМ МОДУЛЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ Кибернетика

Текст научной статьи на тему «СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ НЕГОЛОНОМНЫМ ОДНООСНЫМ КОЛЕСНЫМ МОДУЛЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2015, № 3, с. 156-167

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ

УДК 62-50

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ НЕГОЛОНОМНЫМ ОДНООСНЫМ КОЛЕСНЫМ МОДУЛЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ* © 2015 г. В. Н. Максимов, А. И. Черноморский

Москва, МАИ (национальный исследовательский ун-т) Поступила в редакцию 10.07.14.г., после доработки 01.12.14 г.

Решается задача разработки системы управления неголономным измерительным одноосным колесным модулем, предназначенным для мониторинга геометрических параметров аэродромных покрытий. В рамках нелинейного подхода синтезируется подсистема траекторного управления на основе использования кинематической модели неголономного моноцикла и подсистема локомоционного управления с использованием метода частичной линеаризации модели объекта обратной связью по выходу. Приводятся результаты численного моделирования синтезированной системы с учетом возмущающих воздействий.

Б01: 10.7868/80002338815030130

Введение. Измерительный одноосный колесный модуль (ОКМ) с несущей платформой, на которой расположены, в частности, лазерные высотомеры, предназначен для измерения геометрических параметров аэродромных покрытий (уклонов, неровностей и др.) (рис. 1). При удержании платформы вблизи плоскости горизонта в достаточно широком диапазоне, который для решаемой задачи составляет величину порядка ±20°, разность показаний двух лазерных высотомеров, разнесенных вдоль продольной оси ОКМ (при известной негоризонтальности платформы), дает информацию об уклонах, а анализ информации от каждого из них позволяет оценивать локальные нарушения геометрии покрытия [1]. При решении этой задачи, таким образом, необходимо осуществлять управление модулем так, чтобы платформа ОКМ, обладающая верхней маят-никовостью, оставалась вблизи плоскости горизонта при перемещениях ОКМ по заданным на поверхности аэродрома пространственно-временным траекториям (ПВТ), под которыми будем понимать траектории, определяемые программными зависимостями от времени, координат и угла курса ОКМ на поверхности аэродрома в стартовой системе координат. Применяемый для удержания платформы вблизи плоскости горизонта принцип инерционного управления заключается в том, что при появлении угла отклонения платформы от плоскости горизонта вырабатываются специально организуемые управляющие воздействия в виде моментов сил, приложенных к колесам ОКМ, он ускоряется, а возникающие при этом силы инерции действуют на платформу и возвращают ее в горизонтальное положение [2]. С другой стороны, потребные изменения скорости перемещения ОКМ по поверхности аэродрома осуществляются при необходимости через направленное изменение угла отклонения платформы от плоскости горизонта. Будем полагать, что отсутствуют маршевое и боковое проскальзывания колес ОКМ и поэтому связь между колесами и подстилающей поверхностью — неголономная. Примем также, что в силу локальности перемещений и малости скоростей перемещений ОКМ можно пренебречь сферичностью поверхности и угловой скоростью вращения Земли в математической модели его движения.

На рис. 1 представлена схема ОКМ, указаны ее основные параметры, а также системы координат (СК): Схъуъгъ — связанная СК с началом в центре масс С платформы (ее оси совпадают с главными центральными осями инерции платформы, ось перпендикулярна ее плоскости, проходит через срединную точку О оси колесной пары и перпендикулярна этой оси); ОХ^с^с — сопровождающая СК с началом в точке О (ось Хс направлена вперед перпендикулярно оси колесной пары ОКМ, ось Ус совпадает с направлением оси колесной пары от правого к левому ко-

* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (задание № 8.1573.2014.К на выполнение в рамках проектной части госзадания в сфере научной деятельности).

гс А

Лазерный высотомер

Z

J г

V Направление перемещения

Рис. 1. Схема ОКМ

лесу ОКМ, ось 2С вертикальна и дополняет систему до правой тройки); ОХЛ — инерциальная стартовая горизонтальная СК (в точке старта ее оси совпадают с осями СК ОХсУс^с ). На рис. 1 обозначены также а — угол отклонения оси гъ от вертикали (плоскости хъуъ платформы от плоскости горизонта ХСУС); фг и ф 1 — углы поворотов соответственно правого и левого колес; тр — масса платформы; т„ — масса колеса; Я — радиус колеса; й — расстояние от центра О оси колес до центра масс платформы С; Ъ — половина длины оси колесной пары; 0 — угол курса ОКМ; и — скорость поступательного перемещения платформы в плоскости горизонта.

1. Постановка задачи. Задача настоящей работы — синтез моментов сил, приложенных к колесам ОКМ и обеспечивающих перемещение центра О оси колесной пары ОКМ по заданной ПВТ при одновременной стабилизации платформы ОКМ вблизи плоскости горизонта (стабилизации оси гъ вблизи вертикали места 2С).

В силу необходимости в общем случае выхода ОКМ на заданную ПВТ из произвольной точки подстилающей поверхности задача синтеза принципиально является нелинейной с ограничениями, доставляемыми неголономностью. В этой связи целесообразно использовать подход к синтезу системы управления как к двухконтурной, заключающийся в синтезе сначала подсистемы траекторного, а затем локомоционного управлений ОКМ. Под синтезом подсистемы траектор-ного управления будем понимать синтез потребных значений скоростей поступательного и и

вращательного 9 движений неголономного ОКМ, обеспечивающих устойчивое движение по ПВТ и используемых в качестве программных в подсистеме локомоционного управления. Эти потребные значения скоростей могут отличаться от их значений, соответствующих заданной ПВТ, в силу возможного нарушения условий неголономности (наличие проскальзываний колес ОКМ) в реальных условиях эксплуатации. Под синтезом подсистемы локомоционного управления будем понимать синтез собственно управляющих моментов на колесах ОКМ по информации, поступающей от траекторной подсистемы и от измерителей кинематических параметров движения, установленных на его платформе.

2. Математическая модель ОКМ. В [3] получена математическая модель движения неголономного ОКМ в следующем виде:

(2.1)

a(mpd2 + Jyb) - i02 sin 2a(Jxb - Jb + d 1mp) + dmp (Ucosa - gsina) + + c, (á - ф,) + cr (ca - фr) = tr + t,;

и (mp + 2mw + ~Jt) -1 (ci (a - ф,) + cr (a - фr)) + dmp(a cos a + a2 sin a) = 1 ( тr + т,) ;

2Jd + J b + 2b mw + sin a( Jxb - Jzb +d mp)

2Jwb

2\

p" R2

+b (c, (a -Ф i ) + cr (a -фг)) +

R

(2.2)

(2.3)

(2.4)

2b

+ 0ásin2a(Jxb - Jzb + d mp) - — (xr - т,),

R

где Jd, — моменты инерции колеса вокруг его диаметра и оси вращения соответственно; 1хЬ, 1уЬ, Jzb — главные центральные моменты инерции платформы вокруг осей хь, уь, гь соответственно; сг и с1 — коэффициенты вязкого трения в осях правого и левого колес; тг, т1 — моменты силы на правом и левом колесах ОКМ; матрица £ (д) такова:

* (q) =

cos О sin t

0

0 0 10 0

0 0— b R R

1 0 I - b

0

R RJ

Уравнение (2.1) — кинематическая модель неголономного ОКМ с вектором состояния q = [x y 0 a фr ф,]Т,где x, y — координаты точки O в СК OXYZ, а уравнения (2.2)—(2.4) описывают динамику вектора скоростей v = [á u 9]Т.

3. Подсистема траекторного управления ОКМ. Для синтеза траекторного управления упростим модель (2.1). С этой целью будем интерпретировать кинематику движения центра O оси колесной пары ОКМ по заданной ПВТ, определяемой программными зависимостями x(t), y (t), 0(t), как кинематику движения вертикального уницикла — катящегося по плоской поверхности колеса, обладающего скоростью перемещения центра колеса и и угловой скоростью разворота по

курсу 9. Эта интерпретация адекватна, поскольку при отсутствии проскальзывания движение центра колеса и точки O ОКМ по заданной ПВТ идентичны. Тогда условие неголономности (отсутствия проскальзывания уницикла в поперечном направлении) принимает вид [4]

—x sin 9 + y cos 9 = 0, (3.1)

а кинематическая модель движения такова:

q = * (q) v,

где

(3.2)

q = [x y 0]т,

* (q) =

cos 0 sin 0 0 0 0 1

у = [и 9]Т.

Кинематическую модель (3.2) будем трактовать как уравнение движения объекта с вектором состояния д и вектором управления V. Применительно к вектору опорного управления V, соответствующему заданной пространственно-временной траектории, на основании (3.2) можно получить опорный вектор д . Однако в реальных условиях эксплуатации текущее значение

дт = [хт ут 0т]т этого вектора в инерциальной СК отличается от опорного д и может быть опре-

т

делено с помощью измерителей на борту ОКМ. По величине ошибки е = д - дт можно скорректировать вектор управления V, обеспечивая стабилизацию движения ОКМ на заданной ПВТ

Рассмотрим процедуру коррекции вектора управления V. Элементы вектора опорного управления V определяются соотношениями

= ±yfx

, .2 .2

и = ±V x + y ;

yx - xy

.2 .2 ' x + y

(3.3)

где х, у — текущие координаты заданной ПВТ. Выбор знака в соотношении (3.3) зависит от направления движения.

Вектор ошибки е в проекциях на оси сопровождающей СК ОХсУс^с таков:

e =

e2 =

_e3 _

cos 0т sin Qm 0 - sin 0m cos 0m 0 0 0 1

X Xm

У - Ут

(3.4)

Дифференцируя (3.4) и учитывая условие неголономности (3.1), записанное для элементов опорного вектора состояния д, получим (см. Приложение)

e1

e2 =

_e3 _

me2 Um +UCOs e3

-0 mei +u sin ез

(3.5)

V m _

'Um ' _

_

(3.6)

Примем вектор управления vm в следующем виде: и cose3 + K1e1 1 + uK2e2 + K3 sine3 _

где K1, K2, K3 — положительные коэффициенты.

Элемент и cos e3 в (3.6) использован для компенсации нелинейности в уравнениях (3.5), а элементы K1e1 и uK2e2 служат для организации отрицательных обратных связей по ошибкам e1 и e2. Элемент K3 sin e3 введен для организации обратной связи по ошибке e3, причем в отличие от аналогичного элемента в управлении, предложенном в [5] для неголономного уницикла, он не зависит от скорости и и, как следствие, обеспечивает управление, эффективное и при низкоскоростных маневрах ОКМ.

Подставляя управления (3.6) в уравнения (3.5), получим уравнения динамики ошибок замкнутой системы:

(8 + иK2e2 + K3 sin e3)e2 - K1e1 - (8 + иK2e2 + K3 sin e3) e1 + и sin e3 -uK2e2 + K3 sin e3

_e1"

=

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком