Robot mobilny o zmiennym sposobie lokomocji - system sterowania

摘要

W spolną cechą wiekszości zrobotyzowanych platform mobilnych jest naped roznicowy, ktorego podstawowymi zaletami są prosta realizacja i zapewnienie wystarczającej manewrowości robota w dedykowanych zastosowaniach. Oparte na nim roboty saperskie o napedzie gąsienicowym [1] wspierają czlowieka w niebezpiecznych zadaniach (np. w obszarze zagrozonym wybuchem ladunkow albo dzialaniem terrorystow). Przemieszczają sie w trudnym terenie, mogą przepychac przeszkody i są stabilną bazą dla manipulatorow. Z drugiej strony ich ruch pochlania znaczne ilości energii, dodatkowo ze wzgledu na poślizgi samolokalizacja robota jest utrudniona, gdyz przy takiej konfiguracji informacja z enkoderow zamocowanych na silnikach jest zdecydowanie niewystarczająca. Wychodząc na przeciw powyzszym problemom stworzono calą game robotow o dwukolowym napedzie roznicowym, ktore przy odpowiedniej konstrukcji mogą poruszac sie w trybie odwroconego wahadla. Tego typu roboty wprawdzie nie posiadają takich dobrych wlaściwości do przemieszczania sie w terenie w obecności przeszkod jak roboty saperskie, ale za to w praktycznych realizacjach z powodzeniem przewozą ludzi [2] zuzywając przy tym relatywnie malo energii. Co wiecej stojąc w pionie w swojej nominalnej pozycji zajmują malo miejsca na powierzchni co pozwala im na poruszanie sie w ograniczonej przestrzeni. Na bazie odwroconego wahadla budowano tez roboty wyposazone w rece zdolne do werbalnej i niewerbalnej komunikacji z ludźmi [3]. Roboty mobilne dzialające na zasadzie odwroconego wahadla są takze z powodzeniem wykorzystywane jako manipulatory humanoidalne [4] oraz pojazdy transportowe [5]. Sterowanie balansującym robotem mobilnym wymaga, ze wzgledu na niestabilną nature, szybkiej odpowiedzi ukladu sterowania na zmiany orientacji i stanu robota. Konieczne jest zapewnienie dokladnego i pozbawionego opoźnien pomiaru kąta odchylenia robota od pionu [6]. Do pomiaru kąta pochylenia robota wykorzystuje sie zwykle pomiary z kilku czujnikow, filtrowane za pomocą filtru Kalmana [7] lub filtru komplementarnego [8]. Z drugiej strony konieczna jest synteza odpowiedniego ukladu regulacji. W licznych pracach zastosowano rozne rozwiązania, m n. logike rozmytą [9], regulatory PID [10], sterowanie z wyprzedzeniem (feed-forward) [11]. Ostatnie osiągniecia naukowcow [12, 13] pozwalają stwierdzic, ze budowa robotow o zmiennej konfiguracji mechanicznej bedąca jak dotąd domeną fantastyki naukowej staje sie rzeczywistością. Celem niniejszej pracy jest przeprowadzenie studium wykonalności robota, na bazie doświadczen z prac [14, 15], mogącego poruszac sie w dwoch trybach jazdy: stabilnym statycznie (poziomym) oraz stabilnym dynamicznie (pionowym) z mozliwością automatycznej zmiany trybu ruchu, lącząc zalety obydwu trybow ruchu. System sterowania stanowią algorytmy i regulatory, dzieki ktorym robot moze samodzielnie utrzymywac rownowage w zalezności od zadanego sterowania oraz od warunkow zewnetrznych, takich jak pochylenie i nierowności podloza oraz kolizje z przeszkodami. Artykul koncentruje sie na systemie sterowania, tym ni niej dla kompletności, na wstepie zostaną pokrotce sformulowane wymagania (sekcja 1) oraz konstrukcja mechaniczna i elektroniczna robota (sekcja 2). Postawione wymagania i konstrukcja robota byly podstawą do syntezy regulatora kaskadowego (sekcja 3) sterującego silnikami. Struktura regulatora implikowala sposob dekompozycji sterownika sprzetowo rogramowego oraz jego implemen cje na rzeczywistym sprzecie (sekcja 4). Prace konczy podsumowanie (sekcja 5).