Гусеницы в робототехнике
Передвижение на основе гусениц предлагает большую площадь контакта с землей, что обеспечивает лучшее сцепление с дорогой, чем колеса для автомобилей.
Таким образом, мобильные роботы могут быть полезны в таких областях применения, как сельское хозяйство, поисково-спасательные операции, военное дело, лесное хозяйство, добыча полезных ископаемых и изучение планет.
Управление гусеничными транспортными средствами имеет ряд уникальных особенностей, которые существенно отличаются от управления колесными транспортными средствами.
Следовательно, требует особого отношения. Было предложено несколько конфигураций колеи для рулевого управления:
- шарнирное рулевое управление
- изогнутое рулевое управление
- управление с использованием салазок
Последнее является наиболее широко используемым, так как оно проще с механической точки зрения и обеспечивает более быстрое реагирование.
Принцип управления основан на регулировании относительных скоростей обеих колей, во многом так же, как и колесные транспортные средства с дифференциальным приводом. Однако управление движением по следам представляет собой более сложную проблему, так как изменение относительной скорости двух путей приводит к проскальзыванию, а также срезанию и уплотнению почвы для достижения управляемости.
Таким образом, кинематика не является простой, так как невозможно точно предсказать движение транспортного средства. Это означает, что методы управления движением, подходящие для дифференциальных колесных роботов, не могут быть непосредственно использованы для гусеничных автомобилей.
Несмотря на эти трудности, эффективная кинематическая модель позволила бы предсказать приблизительное движение транспортного средства в краткосрочной перспективе, что необходимо для выполнения расчетов в реальном времени для автономной навигации.
Недостатки колес на некоторых типах местности были одним из уроков, извлеченных из опыта в области сельскохозяйственной робототехники, который привел к проектированию и строительству гусеничного робота Auriga-α.
В самых ранних попытках управления с Auriga-α, была принята простая дифференциальная модель привода, которая рассматривала колеи как колеса. Как и ожидалось, эта модель дала менее чем адекватные результаты, поскольку в ней не учитывалось отставание. С тех пор были разработаны альтернативные эвристические, аналитические и экспериментальные решения для усиления контроля и одометрии.
Предлагаемый подход заключается в моделировании кинематики гусеничных транспортных средств путем получения геометрической аналогии с моделью дифференциального привода колес.
Кто вложил свою лепту в эту нишу?
Большое количество теоретических исследований в области геомеханики было посвящено изучению методов моделирования и взаимодействия гусеничной техники с грунтом. Такая теоретическая база позволила моделировать этот тип транспортного средства, который стал мощным инструментом для проектирования и оценки различных конфигураций.
Напротив, сообщается о незначительном количестве работ по конкретной проблеме управления движением отслеживаемых автономных мобильных роботов. Ниже приводятся соответствующие работы, посвященные отслеживанию движения. -
Ванг и Чен 1990 г. рассматривают автомобиль как нелинейную двух входную систему с двумя выходами, поведение которой смоделировано двумя линейными черными ящиками с неопределенными параметрами. Для управления скоростями перемещения и угловыми скоростями используются два надежных регулятора.
- Шиллер и Хуа 1993 г. решают проблему определения номинальных гусеничных усилий для движения по запланированной траектории с заданной скоростью. Динамика бокового трения учитывается при оптимизации ориентации транспортного средства. Сообщается об испытаниях круговых траекторий на плоских и наклонных плоскостях.
- Работа Фэн, Корен и Вехе 1995 г. посвящена прямолинейному управлению движением для реальной гусеничной платформы. Авторы обсуждают контроль перекрестных связей для того, чтобы справиться с различиями в реакции на пути. Кроме того, адаптивный параметр учитывается для ошибок, связанных с механическими асимметриями во время выполнения стены.
- Фэн и др. 1995 г. занимаются оценкой положения отслеживаемых мобильных роботов. Вместо одометрии от самого автомобиля авторы предлагают добавить небольшой пассивный двухколесный прицеп. Датчики расположены в каждом колесе и в шарнире прицепа.
Итог вышесказанного
Модель может быть настроена с помощью автономной идентификации параметров, которая может быть получена либо путем моделирования динамической модели, либо на основе фактических экспериментальных данных. Были рассмотрены некоторые упрощающие ограничения: плоскостной однородный тип труднопроходимой местности и работа мобильного робота на умеренных скоростях.
Кроме того, метод может быть даже применен для динамической корректировки кинематических моделей колесных роботов с неидеальным дифференциальным приводом, поскольку на них всегда в определенной степени сказывается проскальзывание. Особенно это касается колес с большой контактной поверхностью.