RU2799176C1 - Method for position-force control of an autonomous uninhabited underwater vehicle with a multistage manipulator - Google Patents
Method for position-force control of an autonomous uninhabited underwater vehicle with a multistage manipulator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2799176C1 RU2799176C1 RU2023106449A RU2023106449A RU2799176C1 RU 2799176 C1 RU2799176 C1 RU 2799176C1 RU 2023106449 A RU2023106449 A RU 2023106449A RU 2023106449 A RU2023106449 A RU 2023106449A RU 2799176 C1 RU2799176 C1 RU 2799176C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- manipulator
- underwater vehicle
- moments
- force
- work
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления автономными необитаемыми подводными аппаратами (АНПА) с многостепенными манипуляторами (ММ).The invention relates to robotics and can be used to create control systems for autonomous uninhabited underwater vehicles (AUVs) with multi-stage manipulators (MM).
Известен способ управления движением многостепенного антропоморфного манипулятора АНПА, заключающийся в подаче управляющих воздействий на электроприводы сочленений для приведения рабочего органа (РО) ММ в заданное положение с заданной скоростью за заданное время, рассчитываемых в форме алгебраических и трансцендентных выражений на основе упрощенных динамических моделей электроприводов и динамической модели ММ, сформулированной на основе кинематической модели манипулятора, построенной с использованием подхода Денавита – Хартенберга, причем динамическая модель ММ для достижения его конечного состояния преобразуется в систему дифференциальных уравнений, определяющих углы поворота звеньев ММ вокруг их продольных и поперечных осей, правые части которой содержат только искомые управления. (Балабанов А. Н., Безуглая А. Е., Шушляпин Е. А. Управление манипулятором подводного робота // Информатика и автоматизация. – 2021. – Т. 20. – №. 6. – С. 1307-1332).A known method for controlling the movement of a multi-stage anthropomorphic AUV manipulator, which consists in applying control actions to the electric drives of the joints to bring the working body (RO) of the MM to a given position at a given speed for a given time, calculated in the form of algebraic and transcendental expressions based on simplified dynamic models of electric drives and dynamic model of the MM formulated on the basis of the kinematic model of the manipulator, built using the Denavit-Hartenberg approach, and the dynamic model of the MM to achieve its final state is transformed into a system of differential equations that determine the angles of rotation of the MM links around their longitudinal and transverse axes, the right parts of which contain only desired controls. (Balabanov A. N., Bezuglaya A. E., Shushlyapin E. A. Control of the underwater robot manipulator // Informatics and automation. - 2021. - T. 20. - No. 6. - P. 1307-1332).
Недостатком этого способа является то, что управляющие воздействия, подаваемые на электроприводы сочленений ММ, формируются на основе динамических моделей ММ и электроприводов, которые не учитывают реально существующие силовые и моментные воздействия на подводный аппарат со стороны объекта работ, передающиеся через звенья и сочленения манипулятора в точку крепления ММ к основанию АНПА. Но эти воздействия возникают сразу же после установления силового контакта РО (инструмента) ММ с поверхностью объекта работ при выполнении любой силовой технологической операции. В результате эти воздействия приводят к неконтролируемому смещению АНПА в пространстве, а в результате – и к нарушению выполнения заданной технологической операции.The disadvantage of this method is that the control actions applied to the electric drives of the MM joints are formed on the basis of dynamic models of the MM and electric drives that do not take into account the actual force and moment effects on the underwater vehicle from the side of the work object, transmitted through the links and joints of the manipulator to the point fixing the MM to the base of the AUV. But these impacts occur immediately after the establishment of the power contact of the RO (tool) MM with the surface of the object of work during the performance of any power technological operation. As a result, these impacts lead to an uncontrolled displacement of the AUV in space, and as a result, to a violation of the specified technological operation.
Известен способ позиционно-силового управления АНПА с ММ, заключающийся в формировании закона управления положением аппарата с манипулятором и усилием, оказываемым на поверхность объекта работ, на основе их математической модели, как единого объекта, использующей оценку кориолисовых и центробежных сил и моментов, гидростатических и гидродинамических сил и моментов сопротивлению движению АНПА с ММ, включая вязкие трения и присоединенные массы жидкости, при этом погрешности оценки указанных сил и моментов компенсируются за счет использования регулятора с переменной структурой. (Barbalata C., Dunnigan M. W., Petillot Y. Coupled and decoupled force/motion controllers for an underwater vehicle-manipulator system //Journal of Marine Science and Engineering. – 2018. – Vol. 6. – №. 3. – P. 96).A known method of position-force control of AUV with MM, which consists in the formation of the law of control of the position of the vehicle with a manipulator and the force exerted on the surface of the object of work, based on their mathematical model, as a single object, using the assessment of Coriolis and centrifugal forces and moments, hydrostatic and hydrodynamic forces and moments of resistance to the movement of AUV with MM, including viscous friction and attached masses of fluid, while the errors in the assessment of these forces and moments are compensated by using a controller with a variable structure. (Barbalata C., Dunnigan M. W., Petillot Y. Coupled and decoupled force/motion controllers for an underwater vehicle-manipulator system // Journal of Marine Science and Engineering. - 2018. - Vol. 6. - No. 3. - P. 96).
Недостатком этого способа является то, что при формировании закона управления положением АНПА с ММ не учитываются динамические характеристики электроприводов в сочленениях ММ, а также силовые и моментные воздействия, действующие на АНПА с ММ со стороны объекта работ, вызванные реакцией опоры при силовом воздействии РО манипулятора на поверхность объекта работ. Из-за этого в процессе выполнения манипулятором технологической операции возможна периодическая потеря контакта между инструментом, закрепленным на конце манипулятора, и поверхностью объекта работ, и, вследствие этого, нарушение технологического процесса.The disadvantage of this method is that when forming the law for controlling the position of the AUV with the MM, the dynamic characteristics of the electric drives in the joints of the MM are not taken into account, as well as the force and moment effects acting on the AUV with the MM from the side of the object of work, caused by the reaction of the support during the force effect of the RO of the manipulator on surface of the work object. Because of this, in the process of performing a technological operation by the manipulator, a periodic loss of contact between the tool fixed at the end of the manipulator and the surface of the object of work is possible, and, as a result, a violation of the technological process.
Известен способ управления АНПА в режиме его зависания вблизи или над объектом работ в процессе работы установленного на нем ММ, включающий подачу на входы двигателей всех степеней подвижности манипулятора сигналов, определяемых желаемой программной траекторией движения его РО в пространстве в водной среде и формируемых на основе аналитических соотношений, полученных после решения обратной задачи кинематики для конкретной кинематической схемы ММ, а на входы соответствующих движителей АНПА - сигналов, компенсирующих силовые и моментные воздействия на этот аппарат со стороны ММ, произвольно перемещающегося в вязкой среде, причем сигналы управления движителями АНПА по разомкнутому контуру формируются в реальном масштабе времени на основе аналитических выражений, определяющих силу и момент, с которыми этот манипулятор действует на АНПА, учитывающих все эффекты взаимовлияния между всеми степенями подвижности ММ, а также гидростатические и гидродинамические силы сопротивления его движению, включая вязкие трения и присоединенные массы окружающей жидкости (Филаретов В.Ф., Алексеев Ю.К., Лебедев А.В. Системы управления подводными роботами. - М.: Круглый год. – 2001. – C.171-179; 223-227).There is a known method for controlling the AUV in the mode of its hovering near or above the object of work during the operation of the MM installed on it, including the supply to the inputs of the engines of all degrees of mobility of the manipulator of signals determined by the desired program trajectory of its motion in space in the aquatic environment and formed on the basis of analytical relationships obtained after solving the inverse problem of kinematics for a specific kinematic scheme of the MM, and to the inputs of the corresponding AUV propulsors - signals that compensate for the force and moment effects on this vehicle from the MM, which arbitrarily moves in a viscous medium, and the control signals for the AUV propulsors along an open loop are formed in real time based on analytical expressions that determine the force and moment with which this manipulator acts on the AUV, taking into account all the effects of mutual influence between all degrees of mobility of the MM, as well as hydrostatic and hydrodynamic forces of resistance to its movement, including viscous friction and the attached masses of the surrounding fluid ( Filaretov V.F., Alekseev Yu.K., Lebedev A.V. Control systems for underwater robots. - M.: All year round. - 2001. - C.171-179; 223-227).
Его недостатком является то, что аналитические выражения, определяющие силу и момент, с которыми ММ действует на подводный аппарат, не учитывают силовые воздействия, оказываемые рабочим органом манипулятора на объекты работ при выполнении технологических операций. Кроме того, используемый разомкнутый контур стабилизации подводного аппарата в пространстве не позволяет обеспечить точную компенсацию всех сил и моментов, действующих на него со стороны манипулятора, вызывая его неизбежные смещения от исходного заданного пространственного расположения. Its disadvantage is that the analytical expressions that determine the force and moment with which the MM acts on the underwater vehicle do not take into account the force effects exerted by the working body of the manipulator on the objects of work during the performance of technological operations. In addition, the open loop stabilization of the underwater vehicle in space does not allow for accurate compensation of all forces and moments acting on it from the side of the manipulator, causing its inevitable displacement from the initial specified spatial location.
Известен также способ позиционно-силового управления АНПА с четырехстепенным манипулятором в режиме его зависания и предварительной стабилизации перед началом выполнения силовых операций с объектом работ, которые осуществляют в дальнейшем, учитывая линейные смещения подводного аппарата в пространстве, определяемые системой технического зрения, и его угловые смещения, определяемые бортовыми гироскопическими датчиками, заключающийся в задании переменных желаемых величин и направлений силовых воздействий, оказываемых рабочим органом манипулятора, основание которого закреплено под центром величины подводного аппарата, на объект работ в каждой точке траектории движения его рабочего органа, которую формируют с помощью 3D-модели этого объекта работ, при этом на входы соответствующих движителей подводного аппарата подают сигналы управления, уменьшающие его отклонения от исходного положения при перемещениях манипулятора в вязкой среде, при этом система управления АНПА с ММ построена с использованием наблюдателей только суммарных величин внешних моментов, действующих на выходные валы приводов всех степеней подвижности ММ, эти величины формируют сигналы управления приводами ММ и создают желаемые силовые воздействия ММ на объекты работ в текущей точке траектории движения РО и дополнительные сигналы управления приводами ММ, обеспечивающие перемещения этого РО по указанной траектории, а на входы соответствующих движителей АНПА подают сигналы управления, компенсирующие динамические воздействия на этот аппарат со стороны ММ, эти сигналы рассчитывают по рекуррентному алгоритму, определяющему суммарную величину силового и моментного воздействия на АНПА при перемещении его ММ в вязкой среде и при силовом воздействии РО на объекты работ (Коноплин А.Ю., Красавин Н.А., Юрманов А.П., Пятавин П.А., Кацурин А.А. Система позиционно-силового управления подводными аппаратами с многозвенными манипуляторами для выполнения контактных манипуляционных операций // Подводные исследования и робототехника. – 2022. – № 4. – С. 40-52).There is also known a method of position-force control of an AUV with a four-stage manipulator in the mode of its hovering and preliminary stabilization before the start of power operations with the object of work, which are carried out in the future, taking into account the linear displacements of the underwater vehicle in space, determined by the technical vision system, and its angular displacements, determined by onboard gyroscopic sensors, which consists in setting variable desired values and directions of force effects exerted by the working body of the manipulator, the base of which is fixed under the center of magnitude of the underwater vehicle, on the object of work at each point of the trajectory of its working body, which is formed using a 3D model of this at the same time, control signals are applied to the inputs of the corresponding propellers of the underwater vehicle, which reduce its deviations from the initial position when the manipulator moves in a viscous medium, while the control system of the AUV with MM is built using observers only of the total values of external moments acting on the output shafts of the drives of all degrees of mobility of the MM, these values form control signals for the MM drives and create the desired force effects of the MM on the objects of work at the current point of the RO movement trajectory and additional control signals for the MM drives that ensure the movement of this RO along the specified trajectory, and signals are sent to the inputs of the corresponding AUV propellers controls that compensate for the dynamic effects on this vehicle from the MM, these signals are calculated according to a recurrent algorithm that determines the total value of the force and moment impact on the AUV when moving its MM in a viscous medium and with the force impact of the RO on the objects of work (Konoplin A.Yu., Krasavin N.A., Yurmanov A.P., Pyatavin P.A., Katsurin A.A. Position-Force Control System for Underwater Vehicles with Multilink Manipulators to Perform Contact Manipulation Operations // Underwater Research and Robotics. - 2022. - No. 4. - P. 40-52).
Этот способ является наиболее близким к заявляемому изобретению. This method is closest to the claimed invention.
Главным недостатком этого способа является то, что создание желаемого вектора силы со стороны РО ММ на объекты работ осуществляют за счет одновременной подачи полных управляющих воздействий на все приводы всех сочленений ММ. В результате это сразу же создает полный вектор силы на АНПА, равный желаемому вектору силы на объект работ, но противоположный ему по направлению. Поскольку при этом движители самого зависшего над объектом работ АНПА пока совсем не вырабатывают тяги для компенсации уже появившегося полного вектора силы на АНПА со стороны ММ, то, получив мгновенное силовое и моментное воздействие, этот АНПА сразу же начинает смещаться под действием этих силы и момента, отходя от объекта работ, то есть его стабилизация над объектом работ сразу же нарушается. В результате пропадает контакт ММ с объектом работ и его силовое воздействие на этот объект. Получив импульс силы и момента, АНПА продолжит смещаться от объекта.The main disadvantage of this method is that the creation of the desired force vector from the MM RO on the objects of work is carried out by simultaneously applying full control actions to all drives of all MM joints. As a result, this immediately creates a full vector of force on the AUV, equal to the desired vector of force on the object of work, but opposite to it in direction. Since, at the same time, the propellers of the AUV hovering over the object of work do not yet generate thrust at all to compensate for the full force vector that has already appeared on the AUV from the side of the MM, then, having received an instantaneous force and moment effect, this AUV immediately begins to shift under the action of these forces and moments, moving away from the object of work, that is, its stabilization over the object of work is immediately violated. As a result, the contact of the MM with the object of work and its force impact on this object disappear. Having received an impulse of force and moment, the AUV will continue to move away from the object.
Как показали исследования, через некоторое время система технического зрения обнаружит отход АНПА от объекта работ, эта информация будет передана с задержкой в его следящую систему, и только после этого начнут (с нуля) раскручиваться его винты, имеющие большую инерционность. В результате АНПА сильно отойдет от его прежнего исходного положения с учетом непрерывно возрастающего отклонения, которое может стать уже необратимым. Одновременно с раскруткой винтов с учетом всех динамических запаздываний начнет изменяться конфигурация ММ для восстановления силового контакта с объектом работ. Поэтому восстанавливающий свое исходное положение АНПА (под действием своей системы стабилизации) и рабочий инструмент ММ через некоторое время начнут свое одновременное движение в сторону этого объекта работ. Это неизбежно приведет к удару рабочего инструмента по этому объекту ввиду неизбежной инерционности АНПА. И весь этот описанный процесс соударений, как показывают исследования предлагаемой системы управления АНПА и ММ, будет постоянно происходить при реализации попыток создания силовых воздействий с помощью ММ на объект работ.Studies have shown that after some time the vision system will detect the departure of the AUV from the object of work, this information will be transmitted with a delay to its tracking system, and only after that its propellers, which have a large inertia, will start (from scratch) to unwind. As a result, the AUV will strongly deviate from its previous initial position, taking into account the continuously increasing deviation, which may already become irreversible. Simultaneously with the spinning of the screws, taking into account all the dynamic delays, the configuration of the MM will begin to change to restore the force contact with the object of work. Therefore, the AUV restoring its original position (under the action of its stabilization system) and the MM working tool will begin their simultaneous movement towards this object of work after some time. This will inevitably lead to the impact of the working tool on this object due to the inevitable inertia of the AUV. And all this described process of collisions, as studies of the proposed AUV and MM control system show, will constantly occur during the implementation of attempts to create force effects using MM on the object of work.
Вторым важным недостатком является отсутствие возможности создания произвольного позиционно-силового управления ММ, который имеет всего 4 степени подвижности. Этого мало для задания любого пространственного вектора силового воздействия на объекты. Для этой цели необходимо иметь шесть степеней подвижности. То есть ММ прототипа в принципе не способен решить задачу произвольного силового воздействия на объект работ. The second important drawback is the inability to create an arbitrary position-force control of the MM, which has only 4 degrees of mobility. This is not enough to set any spatial vector of force impact on objects. For this purpose, it is necessary to have six degrees of freedom. That is, the MM of the prototype, in principle, is not able to solve the problem of arbitrary force impact on the object of work.
Третьим недостатком прототипа является то, что при движении РО ММ по траектории для задания желаемого усилия на объект работ в процессе этого движения на входы приводов манипулятора подают дополнительные сигналы управления, которые формируют с учетом только этого желаемого усилия. Но часть указанного усилия будет непременно тратиться на преодоление сухого трения скольжения и сопротивления материала по поверхности объекта. В результате величина и направление вектора этой силы будут значительно отличаться от желаемых или РО в принципе не будет двигаться по указанной траектории.The third disadvantage of the prototype is that when the RO MM moves along the trajectory to set the desired force on the object of work during this movement, additional control signals are supplied to the inputs of the manipulator drives, which are formed taking into account only this desired effort. But part of the indicated effort will certainly be spent on overcoming the dry sliding friction and the resistance of the material along the surface of the object. As a result, the magnitude and direction of the vector of this force will differ significantly from the desired ones, or the RO, in principle, will not move along the indicated trajectory.
И, наконец, четвертым существенным недостатком прототипа является то, что применяемые в нем наблюдатели используют для оценки величин только суммарных внешних моментов, действующих на выходные валы приводов всех степеней подвижности ММ, включающих и эффекты взаимовлияния между всеми степенями подвижности манипулятора, и гидростатические силы, и гидродинамические силы сопротивления движению звеньев (включая вязкие трения, присоединенные массы и моменты инерции окружающей жидкости), и возможные силовые воздействия на объекты работ. При этом определение составляющих, обусловленных силовыми воздействиями РО на объекты работ, осуществляется путем вычитания из общего внешнего момента на выходном валу каждого привода ММ рассчитанных с помощью рекуррентного алгоритма составляющих этого внешнего момента, обусловленных гидростатическими и гидродинамическими силами сопротивления движению звеньев, а также эффектами взаимовлияния между всеми степенями подвижности ММ. Но неизбежное наличие больших погрешностей в задании предполагаемых значений присоединенных масс и присоединенных моментов инерции жидкости к звеньям ММ в используемом рекуррентном алгоритме, как показали результаты исследований, обязательно приведет к большим ошибкам в определении и задании реальных величин и направлений векторов силовых и моментных воздействий, а также к большим ошибкам стабилизации АНПА в заданной точке пространства. При этом неизбежно будут наблюдаться потери контактов между объектами работ и рабочими инструментами ММ или периодические удары этих инструментов по указанным объектам работ, которые могут привести к поломкам рабочих инструментов или объектов работ.And, finally, the fourth significant drawback of the prototype is that the observers used in it are used to estimate the values of only the total external moments acting on the output shafts of drives of all degrees of freedom of the MM, including the effects of mutual influence between all degrees of freedom of the manipulator, and hydrostatic forces, and hydrodynamic forces of resistance to the movement of links (including viscous friction, added masses and moments of inertia of the surrounding fluid), and possible force effects on the objects of work. At the same time, the determination of the components due to the force effects of the RO on the objects of work is carried out by subtracting from the total external moment on the output shaft of each MM drive the components of this external moment calculated using the recurrent algorithm, due to the hydrostatic and hydrodynamic forces of resistance to the movement of the links, as well as the effects of mutual influence between all degrees of mobility MM. But the inevitable presence of large errors in setting the estimated values of the added masses and the attached moments of inertia of the fluid to the MM links in the recurrent algorithm used, as shown by the research results, will necessarily lead to large errors in determining and setting the real values and directions of the force and moment action vectors, as well as to large errors in AUV stabilization at a given point in space. In this case, there will inevitably be loss of contacts between the objects of work and the working tools of the MM or periodic impacts of these tools on the specified objects of work, which can lead to breakage of the working tools or objects of work.
Остальные менее значимые недостатки прототипа будут представлены и подробно охарактеризованы при описании и обосновании каждого из признаков отличительной части формулы изобретения.The remaining less significant disadvantages of the prototype will be presented and described in detail in the description and justification of each of the features of the distinctive part of the claims.
Задачей заявляемого изобретения является устранение указанных выше недостатков, т.е. точное автоматическое выполнение АНПА с ММ требуемых силовых технологических операций по всей поверхности объектов работ в водной (вязкой) среде. The objective of the claimed invention is to eliminate the above disadvantages, i.e. accurate automatic execution of AUV with MM required power technological operations over the entire surface of work objects in an aqueous (viscous) medium.
Технический результат изобретения заключается в неизменно точном автоматическом выполнении манипулятором АНПА различных технологических операций, требующих точного силового взаимодействия РО ММ с подводными объектами, когда необходимо обеспечить точное перемещение РО по любым пространственным траекториям в рабочей зоне ММ с одновременным созданием заданного по величине и направлению силового воздействия со стороны РО на эти объекты без возможных потерь контактов с этими объектами.The technical result of the invention consists in the invariably accurate automatic performance by the AUV manipulator of various technological operations that require precise force interaction of the MM RO with underwater objects, when it is necessary to ensure the accurate movement of the RO along any spatial trajectories in the MM working area with the simultaneous creation of a force impact specified in magnitude and direction with RO side to these objects without possible loss of contacts with these objects.
В заявленном изобретении это предложено достичь путем точной стабилизации АНПА над подводным объектом с помощью системы технического зрения и датчиков ориентации АНПА в пространстве за счет создания после контакта РО ММ с поверхностью объекта в реальном масштабе времени скоординированных по времени и величине тяг движителей АНПА, которые с учетом текущей конфигурации ММ непрерывно и устойчиво обеспечат создание требуемых по величине и направлению силовых и моментных воздействий на подводный объект, а также точное программное движение ММ в пространстве, которое формируют за счет сигналов, подаваемых на входы соответствующих приводов ММ, которые одновременно учитывают внешние силовые и моментные воздействия, обусловленные взаимодействием этого ММ с объектами работ и его движением в вязкой среде.In the claimed invention, this is proposed to be achieved by accurate stabilization of the AUV over an underwater object using a technical vision system and AUV orientation sensors in space by creating, after contact of the MM RO with the surface of the object, in real time the AUV propulsion devices coordinated in time and thrust, which, taking into account the current configuration of the MM will continuously and steadily ensure the creation of the required magnitude and direction of force and moment effects on the underwater object, as well as the precise program movement of the MM in space, which is formed due to signals supplied to the inputs of the corresponding MM drives, which simultaneously take into account external force and torque impacts caused by the interaction of this MM with the objects of work and its movement in a viscous medium.
Поставленная задача решается тем, что способ позиционно-силового управления автономным необитаемым подводным аппаратом с манипулятором в режиме его зависания и предварительной стабилизации перед началом выполнения силовых операций с объектом работ, которые осуществляют в дальнейшем, учитывая линейные смещения подводного аппарата в пространстве, определяемые системой технического зрения, и его угловые смещения, определяемые бортовыми гироскопическими датчиками, заключающийся в задании переменных желаемых величин и направлений силовых воздействий, оказываемых рабочим органом манипулятора, основание которого закреплено под центром величины подводного аппарата, на объект работ в каждой точке траектории движения его рабочего органа, которую формируют с помощью 3D-модели этого объекта работ. При этом на входы соответствующих движителей подводного аппарата подают сигналы управления, уменьшающие его отклонения от исходного положения при перемещениях манипулятора в вязкой среде. Внешний корпус подводного аппарата выполняют симметричным относительно его главной вертикальной оси в виде эллипсоида, сплющенного вдоль этой оси, причем проекция этого корпуса на плоскость, проходящую через две другие главные оси симметрии, имеет форму круга. Шесть движителей подводного аппарата закрепляют попарно на его главных осях симметрии на одинаковом расстоянии относительно его центра величины так, чтобы оси их тяг попарно всегда были перпендикулярны осям тяг остальных пар движителей и обеспечивали подводному аппарату шесть степеней свободы. Кинематическая схема манипулятора подводного аппарата также имеет шесть степеней свободы, три из которых – переносные и три – ориентирующие. Она дает возможность его рабочему органу обеспечивать любую пространственную ориентацию векторов силового и моментного воздействия на объекты работ, до начала любых рабочих операций во время тестовых движений манипулятора с неподвижно зафиксированным в пространстве корпусом подводного аппарата с помощью фильтра Калмана осуществляют идентификацию масс и моментов инерции окружающей жидкости, присоединяемых к двум главным звеньям переносных степеней подвижности манипулятора, после подхода подводного аппарата и его стабилизации вблизи объекта работ, выявив с помощью системы технического зрения и трех маркеров текущие пространственные расположения подводного аппарата и начальной точки сформированной траектории, а также зная исходное расположение манипулятора, после решения обратной задачи кинематики определяют законы изменения во времени всех его обобщенных координат, после чего переводят рабочий орган манипулятора из исходного положения в начальную точку траектории, синхронно в функции времени подавая сигналы, соответствующие указанным законам изменения обобщенных координат, на входы следящих приводов всех степеней подвижности манипулятора, обеспечивая плавный перевод его рабочего органа из исходного положения до контакта с объектом в начальной точке сформированной траектории. Одновременно с этим по известному рекуррентному алгоритму решения обратной задачи динамики с учетом ранее идентифицированных присоединенных масс и моментов инерции жидкости в реальном масштабе времени рассчитывают силовое и моментное воздействия на подводный аппарат со стороны этого движущегося в водной среде манипулятора, которые компенсируют плавным изменением тяг его соответствующих движителей, стабилизируя подводный аппарат в заданной точке пространства, после выявления типовым тактильным датчиком контакта рабочего органа манипулятора с объектом работ, используя рекуррентные соотношения с учетом текущей конфигурации манипулятора, определяют законы изменения во времени желаемых тяг соответствующих движителей подводного аппарата и желаемых внешних моментов во всех сочленениях манипулятора, с помощью которых также в функции времени формируют желаемые значения входных сигналов на соответствующие движители подводного аппарата и приводы манипулятора, синхронная реализация этих сигналов обеспечивает плавное нарастание от нуля и до конечного значения программного силового и моментного воздействий со стороны рабочего органа на объект работ в начале траектории. При этом сохраняют неизменной исходную текущую конфигурацию манипулятора, одновременно обеспечивая более точную стабилизацию положения и ориентации подводного аппарата в абсолютной системе координат за счет компенсации его движителями плавно нарастающих силовых и моментных воздействий со стороны манипулятора, реально возникающие неточности указанной программной компенсации ликвидируют с помощью типовой системы стабилизации, использующей информацию, получаемую от системы технического зрения, и отрицательные обратные связи по всем степеням свободы подводного аппарата, применяя эту систему, создают дополнительные сигналы управления соответствующими движителями, которые удерживают подводный аппарат в его исходной точке пространства с исходной ориентацией, после формирования исходного вектора силового воздействия со стороны рабочего органа манипулятора на объект работ формируют новую величину и направление этого вектора, который уже учитывает дополнительные составляющие сухого трения и сопротивления движению рабочего органа в начале построенной траектории, указанный вектор также формируют с помощью движителей подводного аппарата путем подачи плавно и синхронно изменяющихся входных сигналов на соответствующие движители и приводы манипулятора, после построения упомянутого вектора в зависимости от выполняемой программы задают скорость перемещения рабочего органа манипулятора по ранее сформированной траектории и начинают это перемещение, подавая на входы позиционно-силовых систем управления приводами манипулятора соответствующие сигналы, в состав которых входят программные и фактические значения обобщенных координат манипулятора, их скоростей и ускорений, а также программные и фактические значения внешних моментов, обусловленные только силовым взаимодействием рабочего органа манипулятора с поверхностью объекта работ, причем фактические значения указанных внешних моментов определяют с помощью диагностических наблюдателей суммарных значений обобщенных внешних моментов, из которых вычитают составляющие взаимовлияний с реальными значениями масс и моментов инерции звеньев манипулятора, моменты от действия гидростатических сил, моменты вязкого трения, а также моменты, обусловленные наличием уже идентифицированных присоединенных масс и моментов инерции жидкости. Во время движения манипулятора по сформированной траектории определяют силовые и моментные воздействия, которые движущийся в водной среде манипулятор оказывает на подводный аппарат в точке его крепления к последнему, эти воздействия рассчитывают с помощью рекуррентного алгоритма, используя идентифицированные величины присоединенных масс и моментов инерции жидкости, моменты вязкого трения, возникающего при перемещениях всех звеньев манипулятора в водной среде, моменты взаимовлияний между всеми степенями подвижности манипулятора, а также силы и моменты, действующие со стороны объекта работ на рабочий орган манипулятора. Все указанные воздействия на подводный аппарат синхронно и плавно компенсируют его движителями. При этом ввиду неточностей определения некоторых параметров силовых воздействий дополнительно используют упомянутую систему стабилизации положения и ориентации подводного аппарата в абсолютной системе координат, с помощью которой формируют дополнительные сигналы управления его движителями.The problem is solved by the fact that the method of position-force control of an autonomous uninhabited underwater vehicle with a manipulator in the mode of its hovering and preliminary stabilization before the start of power operations with the object of work, which are carried out in the future, taking into account the linear displacements of the underwater vehicle in space, determined by the vision system , and its angular displacements, determined by onboard gyroscopic sensors, which consists in setting variable desired values and directions of force effects exerted by the working body of the manipulator, the base of which is fixed under the center of magnitude of the underwater vehicle, on the object of work at each point of the trajectory of its working body, which is formed using a 3D model of this object of work. At the same time, control signals are fed to the inputs of the corresponding propellers of the underwater vehicle, which reduce its deviations from the initial position when the manipulator moves in a viscous medium. The outer body of the underwater vehicle is made symmetrical about its main vertical axis in the form of an ellipsoid flattened along this axis, and the projection of this body on a plane passing through the other two main axes of symmetry has the shape of a circle. Six propellers of the underwater vehicle are fixed in pairs on its main axes of symmetry at the same distance relative to its center of magnitude so that the axes of their rods in pairs are always perpendicular to the axes of the rods of the remaining pairs of propulsors and provide the underwater vehicle with six degrees of freedom. The kinematic scheme of the manipulator of the underwater vehicle also has six degrees of freedom, three of which are portable and three are orienting. It enables its working body to provide any spatial orientation of the vectors of force and moment impact on the objects of work, before the start of any working operations during the test movements of the manipulator with the body of the underwater vehicle fixed in space, using the Kalman filter, the masses and moments of inertia of the surrounding fluid are identified, attached to the two main links of the portable degrees of freedom of the manipulator, after the approach of the underwater vehicle and its stabilization near the object of work, by identifying the current spatial location of the underwater vehicle and the starting point of the formed trajectory using the technical vision system and three markers, and also knowing the initial location of the manipulator, after solving the inverse problem of kinematics determine the laws of change in time of all its generalized coordinates, after which the working body of the manipulator is transferred from the initial position to the starting point of the trajectory, synchronously, as a function of time, giving signals corresponding to the indicated laws of change in generalized coordinates, to the inputs of servo drives of all degrees of freedom of the manipulator, providing a smooth transfer of its working body from the initial position to contact with the object at the starting point of the formed trajectory. At the same time, according to the well-known recurrent algorithm for solving the inverse problem of dynamics, taking into account the previously identified added masses and moments of inertia of the liquid, the force and moment effects on the underwater vehicle from this manipulator moving in the aquatic environment are calculated in real time, which are compensated by a smooth change in the thrust of its corresponding propulsors , stabilizing the underwater vehicle at a given point in space, after detecting by a typical tactile sensor the contact of the working body of the manipulator with the object of work, using recurrence relations, taking into account the current configuration of the manipulator, determine the laws of change in time of the desired thrusts of the corresponding propulsion of the underwater vehicle and the desired external moments in all joints of the manipulator , with the help of which the desired values of the input signals to the corresponding propulsion of the underwater vehicle and the manipulator drives are also formed as a function of time, the synchronous implementation of these signals ensures a smooth increase from zero to the final value of the program force and moment effects from the working body on the object of work at the beginning of the trajectory . At the same time, the original current configuration of the manipulator is kept unchanged, while at the same time providing more accurate stabilization of the position and orientation of the underwater vehicle in the absolute coordinate system due to the compensation of smoothly increasing force and moment effects from the manipulator by its propulsors, the actual inaccuracies of the specified software compensation are eliminated using a typical stabilization system , which uses information received from the vision system and negative feedbacks over all degrees of freedom of the underwater vehicle, using this system, create additional control signals for the corresponding propulsion devices that keep the underwater vehicle at its initial point in space with the initial orientation, after the formation of the initial force vector impacts from the working body of the manipulator on the object of work form a new value and direction of this vector, which already takes into account additional components of dry friction and resistance to movement of the working body at the beginning of the constructed trajectory, this vector is also formed using the propulsion of the underwater vehicle by supplying smoothly and synchronously changing input signals to the corresponding propellers and drives of the manipulator, after constructing the mentioned vector, depending on the program being executed, the speed of movement of the working body of the manipulator along the previously formed trajectory is set and this movement is started by applying to the inputs of the position-force control systems of the manipulator drives the corresponding signals, which include software and the actual values of the generalized coordinates of the manipulator, their velocities and accelerations, as well as the program and actual values of external moments, due only to the force interaction of the working body of the manipulator with the surface of the object of work, and the actual values of these external moments are determined using diagnostic observers of the total values of the generalized external moments, from which the components of mutual influences with real values of the masses and moments of inertia of the links of the manipulator, moments from the action of hydrostatic forces, moments of viscous friction, as well as moments due to the presence of already identified added masses and moments of inertia of the liquid are subtracted. During the movement of the manipulator along the formed trajectory, the force and moment effects that the manipulator moving in the aquatic environment exerts on the underwater vehicle at the point of its attachment to the latter are determined, these effects are calculated using a recurrent algorithm using the identified values of the attached masses and moments of fluid inertia, friction arising from the movement of all links of the manipulator in the aquatic environment, moments of mutual influence between all degrees of freedom of the manipulator, as well as forces and moments acting from the side of the object of work on the working body of the manipulator. All these impacts on the underwater vehicle are synchronously and smoothly compensated by its propellers. At the same time, due to inaccuracies in determining some parameters of force effects, the said system for stabilizing the position and orientation of the underwater vehicle in the absolute coordinate system is additionally used, with the help of which additional signals for controlling its propulsion are formed.
Сопоставленный анализ признаков заявляемого способа с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии этого способа критерию “новизна”. The compared analysis of the features of the proposed method with the features of analogues and the prototype testifies to the compliance of this method with the criterion of "novelty".
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.In this case, the distinctive features of the claims solve the following functional tasks.
Признак «…внешний корпус подводного аппарата выполняют симметричным относительно его главной вертикальной оси в виде эллипсоида, сплющенного вдоль этой оси, причем проекция этого корпуса на плоскость, проходящую через две другие главные оси симметрии, имеет форму круга,…», в отличие от использованной в прототипе формы корпуса подводного аппарата, позволяет обеспечить дополнительную пассивную стабилизацию подводного аппарата с манипулятором, представляющего собой неустойчивый перевернутый маятник, вдоль его главной вертикальной оси за счет своей особой формы эллипсоида, сплющенного вдоль этой оси.The sign "... the outer body of the underwater vehicle is made symmetrical about its main vertical axis in the form of an ellipsoid flattened along this axis, and the projection of this body on a plane passing through the other two main axes of symmetry has the shape of a circle, ...", in contrast to that used in prototype of the shape of the body of the underwater vehicle, allows for additional passive stabilization of the underwater vehicle with a manipulator, which is an unstable inverted pendulum, along its main vertical axis due to its special shape of an ellipsoid flattened along this axis.
Признак «…а шесть движителей подводного аппарата закрепляют попарно на его главных осях симметрии на одинаковом расстоянии относительно его центра величины так, чтобы оси их тяг попарно всегда были перпендикулярны осям тяг остальных пар движителей и обеспечивали подводному аппарату шесть степеней свободы,…» позволяет обеспечить простую и надежную управляемость аппарата по всем шести его степеням свободы за счет предложенного расположения его движителей симметрично относительно его центра величины. При используемой в прототипе конфигурации движителей, где маршевые движители расположены не на одной из главных осей симметрии корпуса подводного аппарата, а смещены к его задней части, в процессе поворота по углу курса аппарата неизбежно происходят линейные смещения его геометрического центра, которые необходимо компенсировать другими парами движителей. В отличие от указанной конфигурации за счет расположения всех движителей подводного аппарата симметрично относительно его центра величины в новом решении удалось обеспечить независимое управление аппаратом по всем шести степеням свободы.The sign "... and six propellers of the underwater vehicle are fixed in pairs on its main axes of symmetry at the same distance relative to its center of magnitude so that the axes of their rods in pairs are always perpendicular to the axes of the rods of the remaining pairs of propulsors and provide the underwater vehicle with six degrees of freedom, ..." allows you to provide a simple and reliable controllability of the apparatus in all six of its degrees of freedom due to the proposed arrangement of its propellers symmetrically with respect to its center of magnitude. With the propeller configuration used in the prototype, where the main propellers are located not on one of the main axes of symmetry of the underwater vehicle body, but are shifted to its rear part, in the process of turning along the angle of the apparatus’s heading, linear displacements of its geometric center inevitably occur, which must be compensated for by other pairs of propellers . In contrast to the above configuration, due to the arrangement of all propulsion devices of the underwater vehicle symmetrically about its center of magnitude, the new solution made it possible to ensure independent control of the vehicle in all six degrees of freedom.
Признак «…кинематическая схема манипулятора подводного аппарата также имеет шесть степеней свободы, три из которых – переносные и три – ориентирующие, она дает возможность его рабочему органу обеспечивать любую пространственную ориентацию векторов силового и моментного воздействия на объекты работ,…», в отличие от используемого в прототипе четырехстепенного манипулятора, позволяет обеспечить любую пространственную ориентацию векторов силового и моментного воздействия рабочего органа манипулятора на объекты работ в пределах его рабочей зоны за счет использования кинематической схемы с тремя переносными и тремя ориентирующими степенями подвижности.The sign "... the kinematic scheme of the underwater vehicle manipulator also has six degrees of freedom, three of which are portable and three are orienting, it enables its working body to provide any spatial orientation of the force and moment effect vectors on the objects of work, ...", in contrast to the one used in the prototype of a four-degree manipulator, allows you to provide any spatial orientation of the vectors of force and moment impact of the working body of the manipulator on the objects of work within its working area through the use of a kinematic scheme with three portable and three orienting degrees of freedom.
Признак «…до начала любых рабочих операций во время тестовых движений манипулятора с неподвижно зафиксированным в пространстве корпусом подводного аппарата с помощью фильтра Калмана осуществляют идентификацию масс и моментов инерции окружающей жидкости, присоединяемых к двум главным звеньям переносных степеней подвижности манипулятора, …» позволяет точно определять величины присоединяемых к главным звеньям переносных степеней подвижности манипулятора масс и моментов инерции окружающей жидкости с учетом направления набегающего на эти звенья потоков жидкости. В отличие от применения в прототипе каких-то усредненных значений присоединяемых масс и моментов инерции жидкости в новом решении предложена и использована точная идентификация этих значений. Использование указанных значений позволяет с гораздо меньшей погрешностью определять силу и момент, действующие на корпус подводного аппарата со стороны движущегося в вязкой среде манипулятора. Кроме того, эти же значения, входят в суммарные моменты, развиваемые соответствующими приводами манипулятора. В предложенном решении в отличие от прототипа удалось выделить те части момента в функции времени, которые необходимы для создания требуемого движения в конкретной степени подвижности манипулятора и одновременно требуемого момента, который с учетом моментов, формируемых в его остальных степенях подвижности, обеспечивает требуемое силовое воздействие рабочего органа манипулятора на объект работ. Без этого, используя только уже известные методы, невозможно реализовать одновременное качественное позиционно-силовое управление каждой степенью подвижности манипулятора, а в результате - и требуемое точное перемещение рабочего органа манипулятора в целом по заданной траектории с заданным силовым воздействием на объект.The sign “... before the start of any work operations during the test movements of the manipulator with the body of the underwater vehicle fixed in space, using the Kalman filter, the masses and moments of inertia of the surrounding fluid are identified, attached to the two main links of the portable degrees of freedom of the manipulator, ...” allows you to accurately determine the values attached to the main links of the portable degrees of mobility of the mass manipulator and the moments of inertia of the surrounding fluid, taking into account the direction of the fluid flows incident on these links. In contrast to the use in the prototype of some averaged values of the attached masses and moments of inertia of the fluid, the new solution proposes and uses the exact identification of these values. The use of these values allows, with a much smaller error, to determine the force and moment acting on the hull of the underwater vehicle from the side of the manipulator moving in a viscous medium. In addition, the same values are included in the total moments developed by the corresponding manipulator drives. In the proposed solution, in contrast to the prototype, it was possible to isolate those parts of the moment as a function of time that are necessary to create the required movement in a specific degree of mobility of the manipulator and at the same time the required moment, which, taking into account the moments formed in its other degrees of freedom, provides the required force effect of the working body manipulator on the object of work. Without this, using only already known methods, it is impossible to implement simultaneous high-quality positional-force control of each degree of manipulator mobility, and as a result, the required precise movement of the manipulator working body as a whole along a given trajectory with a given force effect on the object.
Признак «…после подхода подводного аппарата и его стабилизации вблизи объекта работ, выявив с помощью системы технического зрения и трех маркеров текущие пространственные расположения подводного аппарата и начальной точки сформированной траектории, а также зная исходное расположение манипулятора, после решения обратной задачи кинематики определяют законы изменения во времени всех его обобщенных координат, после чего переводят рабочий орган манипулятора из исходного положения в начальную точку траектории, синхронно в функции времени подавая сигналы, соответствующие указанным законам изменения обобщенных координат, на входы следящих приводов всех степеней подвижности манипулятора, обеспечивая плавный перевод его рабочего органа из исходного положения до контакта с объектом в начальной точке сформированной траектории, одновременно с этим по известному рекуррентному алгоритму решения обратной задачи динамики с учетом ранее идентифицированных присоединенных масс и моментов инерции жидкости в реальном масштабе времени рассчитывают силовое и моментное воздействия на подводный аппарат со стороны этого движущегося в водной среде манипулятора, которые компенсируют плавным изменением тяг его соответствующих движителей, стабилизируя подводный аппарат в заданной точке пространства,…» обеспечивает точный перевод рабочего органа манипулятора из его текущего положения в исходное в начале сформированной на поверхности объекта работ траектории до касания рабочего органа с этим объектом. Во время этого перевода с помощью тяг движителей подводного аппарата плавно обеспечивают стабилизацию его положения и ориентации путем компенсации силовых и моментных воздействий, передаваемых на его корпус со стороны движущегося манипулятора, которые обусловлены моментами вязкого трения, взаимовлияниями между движущимися в вязкой среде звеньями манипулятора, а также наличием точно определенных присоединенных масс и моментов инерции окружающей жидкости.Sign “... after the approach of the underwater vehicle and its stabilization near the object of work, having identified the current spatial location of the underwater vehicle and the starting point of the formed trajectory using the technical vision system and three markers, and also knowing the initial location of the manipulator, after solving the inverse problem of kinematics, determine the laws of change in time of all its generalized coordinates, after which the working body of the manipulator is transferred from the initial position to the starting point of the trajectory, synchronously as a function of time, giving signals corresponding to the indicated laws of change in generalized coordinates, to the inputs of servo drives of all degrees of freedom of the manipulator, ensuring a smooth transfer of its working body from from the initial position to contact with the object at the initial point of the formed trajectory, at the same time, according to the well-known recurrent algorithm for solving the inverse problem of dynamics, taking into account the previously identified added masses and moments of inertia of the liquid, the force and moment effects on the underwater vehicle from this moving vehicle are calculated in real time the aquatic environment of the manipulator, which are compensated by a smooth change in the rods of its respective propellers, stabilizing the underwater vehicle at a given point in space, ... "provides an accurate transfer of the working body of the manipulator from its current position to its original position at the beginning of the trajectory formed on the surface of the work object until the working body touches this object . During this transfer, with the help of the propulsion rods of the underwater vehicle, its position and orientation are smoothly stabilized by compensating for force and moment effects transmitted to its body from the side of the moving manipulator, which are due to viscous friction moments, mutual influences between the manipulator links moving in a viscous medium, and also the presence of precisely defined added masses and moments of inertia of the surrounding fluid.
Признак «…после выявления типовым тактильным датчиком контакта рабочего органа манипулятора с объектом работ, …» позволяет выявить факт появления контакта между рабочим органом манипулятора и объектом работ при переводе этого рабочего органа в начальную точку траектории. В результате удается исключить возможный зазор между поверхностью объекта работ и рабочим органом манипулятора, а, следовательно, и возможное соударение этого органа с объектом на этапе появления силового воздействия на этот объект.The sign "... after a typical tactile sensor detects contact of the working body of the manipulator with the object of work, ..." allows you to identify the fact of the appearance of contact between the working body of the manipulator and the object of work when this working body is transferred to the starting point of the trajectory. As a result, it is possible to exclude a possible gap between the surface of the object of work and the working body of the manipulator, and, consequently, the possible collision of this body with the object at the stage of the appearance of a force impact on this object.
Признак «…используя рекуррентные соотношения с учетом текущей конфигурации манипулятора, определяют законы изменения во времени желаемых тяг соответствующих движителей подводного аппарата и желаемых внешних моментов во всех сочленениях манипулятора, с помощью которых также в функции времени формируют желаемые значения входных сигналов на соответствующие движители подводного аппарата и приводы манипулятора, синхронная реализация этих сигналов обеспечивает плавное нарастание от нуля и до конечного значения программного силового и моментного воздействий со стороны рабочего органа на объект работ в начале траектории, при этом сохраняют неизменной исходную текущую конфигурацию манипулятора, одновременно обеспечивая более точную стабилизацию положения и ориентации подводного аппарата в абсолютной системе координат за счет компенсации его движителями плавно нарастающих силовых и моментных воздействий со стороны манипулятора, реально возникающие неточности указанной программной компенсации ликвидируют с помощью типовой системы стабилизации, использующей информацию, получаемую от системы технического зрения, и отрицательные обратные связи по всем степеням свободы подводного аппарата, применяя эту систему, создают дополнительные сигналы управления соответствующими движителями, которые удерживают подводный аппарат в его исходной точке пространства с исходной ориентацией,…» позволяет обеспечить плавное нарастание силового и моментного воздействий на объект работ от нуля до заданной величины за счет формирования главного вектора и главного момента тяг всеми движителями подводного аппарата при сохранении исходной конфигурации манипулятора, а также исходного положения и ориентации упомянутого аппарата в пространстве. Это является принципиальным отличием от прототипа, в котором формирования векторов силового и моментного воздействий на объект работ осуществляют подачей соответствующих управляющих сигналов на приводы манипулятора, не обеспечивая постепенного и плавного формирования этих векторов. Но при одновременной подаче сразу конечных ступенчатых входных сигналов на приводы всех сочленения манипулятора без предварительной требуемой раскрутки соответствующих движителей подводный аппарат с учетом реального динамического запаздывания в этих движителях сразу же будет отброшен от своей исходной позиции, во многих случаях вообще потеряв контакт рабочего инструмента с объектом работ. Feature “... using recurrent relations, taking into account the current configuration of the manipulator, the laws of change in time of the desired thrusts of the corresponding propulsors of the underwater vehicle and the desired external moments in all joints of the manipulator are determined, with the help of which the desired values of the input signals to the corresponding propulsors of the underwater vehicle are also formed as a function of time and manipulator drives, the synchronous implementation of these signals ensures a smooth increase from zero to the final value of the program force and torque effects from the working body on the work object at the beginning of the trajectory, while maintaining the original current configuration of the manipulator unchanged, while providing more accurate stabilization of the position and orientation of the underwater apparatus in the absolute coordinate system due to the compensation by its propulsors of smoothly increasing force and moment effects from the side of the manipulator, the actual inaccuracies of the specified software compensation are eliminated using a typical stabilization system using information received from the vision system and negative feedbacks for all degrees of freedom underwater vehicle, using this system, create additional control signals for the corresponding propulsion devices that keep the underwater vehicle at its initial point in space with the initial orientation, ... "allows for a smooth increase in force and moment effects on the work object from zero to a given value due to the formation of the main vector and the main moment of the thrusts by all propulsion units of the underwater vehicle, while maintaining the initial configuration of the manipulator, as well as the initial position and orientation of the said vehicle in space. This is a fundamental difference from the prototype, in which the formation of vectors of force and torque effects on the object of work is carried out by applying appropriate control signals to the manipulator drives, without providing a gradual and smooth formation of these vectors. But with the simultaneous supply of final stepped input signals at once to the drives of all joints of the manipulator without the preliminary required spin-up of the corresponding propulsors, the underwater vehicle, taking into account the real dynamic delay in these propulsors, will immediately be thrown away from its original position, in many cases losing contact between the working tool and the object of work. .
Признак «…после формирования исходного вектора силового воздействия со стороны рабочего органа манипулятора на объект работ формируют новую величину и направление этого вектора, который уже учитывает дополнительные составляющие сухого трения и сопротивления движению рабочего органа в начале построенной траектории, указанный вектор также формируют с помощью движителей подводного аппарата путем подачи плавно и синхронно изменяющихся входных сигналов на соответствующие движители и приводы манипулятора, после построения упомянутого вектора в зависимости от выполняемой программы задают скорость перемещения рабочего органа манипулятора по ранее сформированной траектории и начинают это перемещение,…» позволяет обеспечить движение рабочего органа манипулятора по сформированной траектории с требуемым в зависимости от технологической операции силовым воздействием на поверхность объекта работ с учетом силы сухого трения и другого сопротивления движению рабочего органа по обрабатываемой поверхности. В отличие от использованного в прототипе метода задания желаемого силового воздействия на объект работ в процессе движения рабочего органа манипулятора по сформированной траектории учитывают силы сухого трения и иного сопротивления движению этого органа при формировании тяг движителей подводного аппарата.Sign "... after the formation of the initial vector of the force impact from the side of the working body of the manipulator on the object of work, a new value and direction of this vector is formed, which already takes into account additional components of dry friction and resistance to movement of the working body at the beginning of the constructed trajectory, this vector is also formed with the help of underwater propellers of the device by applying smoothly and synchronously changing input signals to the corresponding propulsors and drives of the manipulator, after constructing the mentioned vector, depending on the program being executed, the speed of movement of the working body of the manipulator along the previously formed trajectory is set and this movement begins, ... "allows for the movement of the working body of the manipulator along the formed trajectories with the required force effect on the surface of the work object, depending on the technological operation, taking into account the force of dry friction and other resistance to the movement of the working body along the surface to be treated. In contrast to the method used in the prototype of setting the desired force impact on the object of work in the process of movement of the working body of the manipulator along the formed trajectory, the forces of dry friction and other resistance to the movement of this body are taken into account when forming the thrusts of the propulsors of the underwater vehicle.
Признак «…подавая на входы позиционно-силовых систем управления приводами манипулятора соответствующие сигналы, в состав которых входят программные и фактические значения обобщенных координат манипулятора, их скоростей и ускорений, а также программные и фактические значения внешних моментов, обусловленные только силовым взаимодействием рабочего органа манипулятора с поверхностью объекта работ, причем фактические значения указанных внешних моментов определяют с помощью диагностических наблюдателей суммарных значений обобщенных внешних моментов, из которых вычитают составляющие взаимовлияний с реальными значениями масс и моментов инерции звеньев манипулятора, моменты от действия гидростатических сил, моменты вязкого трения, а также моменты, обусловленные наличием уже идентифицированных присоединенных масс и моментов инерции жидкости, …» позволяет обеспечить точное движение рабочего органа манипулятора по сформированной траектории с одновременным созданием точного силового и моментного воздействий на поверхность объекта работ. В отличие от прототипа при формировании обратных связей позиционно-силовых систем управления в новом решение используются идентифицированные фактические значения внешних моментов приводов манипулятора, обусловленных воздействием рабочего органа на объект работ. Без этого просто невозможно реализовать качественное позиционно-силовое управление каждой степенью подвижности манипулятора. Для вычисления этих фактических значений в предлагаемом решении используют определенные с помощью диагностических наблюдателей суммарные значения обобщенных внешних моментов, из которых вычитают составляющие взаимовлияний степеней подвижности манипулятора друг на друга, моменты от действия гидростатических сил, моменты вязкого трения, а также моменты, обусловленные наличием точно идентифицированных текущих значений присоединенных масс и моментов инерции жидкости. Sign "... by supplying to the inputs of the position-force control systems of the manipulator drives the corresponding signals, which include program and actual values of the generalized coordinates of the manipulator, their speeds and accelerations, as well as program and actual values of external moments, due only to the force interaction of the working body of the manipulator with the surface of the object of work, and the actual values of these external moments are determined using diagnostic observers of the total values of generalized external moments, from which the components of mutual influences are subtracted with the real values of the masses and moments of inertia of the manipulator links, the moments from the action of hydrostatic forces, the moments of viscous friction, as well as the moments, due to the presence of already identified added masses and moments of inertia of the fluid, ... "allows for the precise movement of the working body of the manipulator along the formed trajectory with the simultaneous creation of accurate force and moment effects on the surface of the object of work. Unlike the prototype, when forming feedbacks of position-force control systems, the new solution uses the identified actual values of the external moments of the manipulator drives, due to the impact of the working body on the object of work. Without this, it is simply impossible to implement high-quality positional-force control of each degree of manipulator mobility. To calculate these actual values, the proposed solution uses the total values of generalized external moments determined with the help of diagnostic observers, from which the components of the mutual influences of the degrees of freedom of the manipulator on each other, the moments from the action of hydrostatic forces, the moments of viscous friction, as well as the moments due to the presence of precisely identified current values of the added masses and moments of inertia of the fluid.
Признак «…во время движения манипулятора по сформированной траектории определяют силовые и моментные воздействия, которые движущийся в водной среде манипулятор оказывает на подводный аппарат в точке его крепления к последнему, эти воздействия рассчитывают с помощью рекуррентного алгоритма, используя идентифицированные величины присоединенных масс и моментов инерции жидкости, моменты вязкого трения, возникающего при перемещениях всех звеньев манипулятора в водной среде, моменты взаимовлияний между всеми степенями подвижности манипулятора, а также силы и моменты, действующие со стороны объекта работ на рабочий орган манипулятора, все указанные воздействия на подводный аппарат синхронно и плавно компенсируют его движителями, при этом ввиду неточностей определения некоторых параметров силовых воздействий дополнительно используют упомянутую систему стабилизации положения и ориентации подводного аппарата в абсолютной системе координат, с помощью которой формируют дополнительные сигналы управления его движителями ...» позволяет обеспечить точную стабилизацию подводного аппарата в процессе выполнения силовых технологических операций. В отличие от использованного в прототипе метода стабилизации подводного аппарата только с помощью его следящих систем, предложенное новое решение за счет специальной идентификации и учета текущих значений присоединенных масс и моментов инерции жидкости, а также точно рассчитываемого вязкого трения и моментов, обусловленных взаимовлияниями между степенями подвижности движущегося в вязкой среде манипулятора, позволяет более точно определить величины силового и моментного воздействий на корпус подводного аппарата со стороны движущегося манипулятора и компенсировать их плавно изменяющимися тягами движителей указанного аппарата, подавая на их входы предельно точно рассчитанные программные сигналы. И только все же появляющиеся, но малые смещения подводного аппарата от его исходного положения компенсируют ранее упомянутыми типовыми системами стабилизации, используя информацию, поступающую с запаздыванием от его систем технического зрения и гироскопических датчиков.Sign “... during the movement of the manipulator along the formed trajectory, the force and moment effects that the manipulator moving in the aquatic environment exerts on the underwater vehicle at the point of its attachment to the latter are determined, these effects are calculated using a recurrent algorithm using the identified values of the attached masses and moments of fluid inertia , moments of viscous friction arising from the movement of all parts of the manipulator in the aquatic environment, moments of mutual influence between all degrees of freedom of the manipulator, as well as forces and moments acting from the side of the object of work on the working body of the manipulator, all these effects on the underwater vehicle synchronously and smoothly compensate for it propellers, while due to inaccuracies in determining some parameters of force effects, the above-mentioned system for stabilizing the position and orientation of the underwater vehicle in the absolute coordinate system is additionally used, with the help of which additional control signals for its propulsors are formed ... "allows for accurate stabilization of the underwater vehicle in the process of performing power technological operations. Unlike the underwater vehicle stabilization method used in the prototype only with the help of its tracking systems, the proposed new solution due to special identification and taking into account the current values of the attached masses and moments of inertia of the fluid, as well as accurately calculated viscous friction and moments due to mutual influences between the degrees of mobility of the moving in the viscous medium of the manipulator, allows you to more accurately determine the magnitude of the force and torque effects on the body of the underwater vehicle from the side of the moving manipulator and compensate for them by smoothly changing thrusts of the propellers of the specified apparatus, applying extremely accurately calculated program signals to their inputs. And only nevertheless appearing, but small displacements of the underwater vehicle from its initial position are compensated by the previously mentioned typical stabilization systems, using information coming with a delay from its vision systems and gyroscopic sensors.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом (см. фиг. 1), на котором введены следующие обозначения: 1 – корпус АНПА, управляемый по шести степеням свободы шестью движителями, установленными в его корпусе и имеющими попарно параллельные тяги Pi, 2 – шестистепенной ММ с рабочим органом (РО) 3, закрепленный в нижней части АНПА на его вертикальной центральной оси симметрии; 4 – система технического зрения (СТЗ) с двумя вращательными взаимно перпендикулярными степенями подвижности, закрепленная в нижней части корпуса АНПА в его вертикальной плоскости симметрии; 5 – объект работ (ОР); 6 – очередная траектория движения конца РО, оказывающего силовое воздействие на ОР в процессе этого движения; A, B – начальная и конечная точки траектории 6; M1, M2 и M3 – неподвижные маркеры, находящиеся в поле зрения СТЗ в процессе движения ММ; OXYZ – абсолютная система координат (АСК) (ее ось Z направлена вертикально вниз); C – геометрический центр корпуса АНПА 1; D – точка крепления ММ 2 к корпусу АНПА 1; – система координат (СК), связанная с корпусом АНПА (оси СК совпадают с главными центральными осями симметрии АНПА); – СК, связанная со светочувствительной матрицей СТЗ АНПА (ее ось направлена вдоль оптической оси СТЗ); τ, – соответственно, главный вектор и главный момент тяг, создаваемых всеми движителями, действующие в центре симметрии АНПА; – соответственно, главный вектор и главный момент сил, действующих на АНПА со стороны ММ в точке – соответственно, главный вектор и главный момент сил, действующих в точке D при формировании движителями АНПА векторов – соответственно, векторы силы и момента, действующие со стороны РО ММ на ОР.The claimed invention is illustrated by a drawing (see Fig. 1), on which the following designations are introduced: 1 - AUV hull controlled in six degrees of freedom by six propulsion units installed in its hull and having pairs of parallel rods Pi, 2 - six-degree MM with a working body (RO) 3, fixed in the lower part of the AUV on its vertical central axis of symmetry; 4 – vision system (VS) with two rotational mutually perpendicular degrees of freedom, fixed in the lower part of the AUV body in its vertical plane of symmetry; 5 - object of work (OP); 6 - the next trajectory of the movement of the end of the RO, which has a force effect on the OR in the process of this movement; A, B are the start and end points of trajectory 6; M 1 , M 2 and M 3 are fixed markers that are in the field of view of the VS during the MM movement; OXYZ is the absolute coordinate system (ACS) (its Z-axis is directed vertically down); C is the geometric center of the AUV 1 hull; D - point of attachment of MM 2 to the body of AUV 1; – coordinate system (SC) associated with the AUV body (SC axes coincide with the main central symmetry axes of the AUV); – SC associated with the photosensitive matrix of the STZ AUV (its axis directed along the optical axis of the STZ); τ, - respectively, the main vector and the main moment of the thrusts created by all propulsors, acting in the center of symmetry of the AUV; - respectively, the main vector and the main moment of forces acting on the AUV from the MM at the point - respectively, the main vector and the main moment of forces acting at point D during the formation of vectors by the propellers of the AUV - respectively, the force and moment vectors acting from the MM RO on the OR.
Заявленный способ реализуется следующим образом. Для обеспечения точного выполнения контактных (силовых) операций под водой АНПА 1 имеет компоновку движителей, которая обеспечивает его управление сразу по всем шести степеням его свободы. Эта компоновка показана на фиг. 1, где на каждой оси СК симметрично располагают по паре движителей, силы тяги которых направлены перпендикулярно соответствующим осям этой СК. Для обеспечения большей устойчивости АНПА точка крепления основания ММ 2 располагается на оси под центром величины C его корпуса. Внешний корпус АНПА 1 выполняют симметричным относительно его главной вертикальной оси в виде эллипсоида, сплющенного вдоль этой оси, причем проекция этого корпуса на плоскость, проходящую через две другие главные оси симметрии, имеет форму круга. Кинематическая схема ММ 2 также имеет шесть степеней свободы (подвижности), три из которых – переносные и три – ориентирующие, давая возможность его РО 3 обеспечивать любую пространственную ориентацию векторов силового и моментного воздействий на ОР 5 в его рабочей зоне.The claimed method is implemented as follows. To ensure accurate performance of contact (power) operations under water, the
Перед началом любых контактных (силовых) операций осуществляют идентификацию присоединяемых к движущимся звеньям манипулятора масс и моментов инерции окружающей жидкости, но, поскольку звенья ориентирующих степеней подвижности ММ всегда имеют малые длины, то эти присоединенные массы и моменты инерции жидкости определяют только в его двух главных движущихся звеньях ММ 2. Для этого корпус АНПА 1 неподвижно фиксируют в водной среде, а для его ММ 2 задают движение по тестовым траекториям, причем эти траектории формируют так, чтобы одновременно изменялись все обобщенные координаты переносных степеней подвижности ММ 2. При движении по указанным траекториям на выходные валы электроприводов каждой из трех переносных степеней подвижности ММ 2 действуют обобщенные внешние моменты, обусловленные только эффектами взаимовлияния между двумя основными звеньями ММ, а также гидростатические и гидродинамические силы сопротивления его движению, включая вязкие трения, а также присоединенные массы и моменты инерции окружающей жидкости. То есть в этих обобщенных внешних моментах отсутствуют составляющие, обусловленные силовым взаимодействием РО 3 ММ 2 с ОР 5. Before the start of any contact (force) operations, the masses attached to the moving parts of the manipulator and the moments of inertia of the surrounding fluid are identified, but since the links of the orienting degrees of freedom of the MM always have small lengths, these attached masses and the moments of inertia of the fluid are determined only in its two main moving parts.
Величины обобщенных внешних моментов, а также скорости и ускорения изменения обобщенных координат ММ 2 определяют в режиме реального времени с помощью диагностических наблюдателей (Жирабок А.Н., Зуев А.В., Филаретов В.Ф., Шумский А.Е. Идентификация дефектов в нелинейных системах на основе скользящих наблюдателей с ослабленными условиями существования // Известия РАН. Теория и системы управления. – 2022. – № 3.– С. 21-30), учитывая динамические особенности исполнительных электроприводов. Из полученных обобщенных моментов вычитают составляющие взаимовлияний переносных степеней подвижности друг на друга с учетом масс и моментов инерции только двух указанных звеньев ММ, рассчитанные аналитически (Шахинпур М. Курс робототехники. - М.: Мир. – 1990. – C. 312-333), а также моменты от действия гидростатических сил (они считаются стандартно) и сил вязкого трения. Для расчета моментов вязкого трения каждое из двух указанных звеньев ММ 2 разбивают на конечное число элементарных частей одинаковой длины и рассчитывают известным методом (Филаретов В.Ф., Коноплин А.Ю. Система автоматической стабилизации подводного аппарата в режиме зависания при работающем многозвенном манипуляторе. Часть 1 // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2014. – № 6. – С. 53-56) силу вязкого трения, действующую на каждую из этих частей, с учетом значения числа Рейнольдса для всех движущихся частей звена. Оставшуюся часть обобщенного момента в каждой степени подвижности ММ, обусловленную только наличием неизвестных присоединенных масс и моментов инерции жидкости, представляют в аналитическом виде и преобразуют в линейную регрессионную форму за счет группировки неизвестных параметров относительно известных составляющих. При этом присоединенные массы жидкости задают известным способом (Fossen T.I. Guidance and control of oceanic vehicles. – John Willei and Sons. – 1994. – С. 117-121) в матричном виде, учитывающем изменение величины присоединённой массы звена в зависимости от его ориентации к набегающему потоку жидкости. Далее неизвестные значения присоединенных масс и моментов инерции жидкости точно определяют с использованием фильтра Калмана (Ikonen E. Advanced process identification and control / E. Ikonen, K. Najim. – Marsel Dekker Inc. – 2002. – С. 37-45), используя информацию об изменении обобщенных координат ММ 2 и их производных в каждый момент времени движения его РО 3 по тестовым траекториям. The values of generalized external moments, as well as the speed and acceleration of changes in the generalized coordinates of
Затем, используя СТЗ 4, до начала выполнения рабочих операций АНПА 1 автоматически перемещают в водной среде так, чтобы интересующие части ОР 5 находились в рабочей области ММ 2. Взаимное расположение не менее трех произвольных маркеров (в качестве маркеров можно использовать особенности конструкции ОР или рельефы дна) на ОР 5 или на дне вблизи него позволяет обеспечить с помощью СТЗ 4 привязку АНПА (его точку C) к некоторой исходной точке трехмерного водного пространства над ОР 5. Then, using STZ 4, before the start of work operations, the
После стабилизации точки C АНПА 1 в подводном пространстве с помощью СТЗ 4 формируют 3D-модель ОР 5, для которой в функции времени строят желаемые траектории движения РО 3, представляемые в памяти управляющего контроллера в виде набора последовательно расположенных точек или в виде аналитического описания сплайнами, с его требуемой ориентацией в АСК, а также с направлением и величиной силового воздействия (или момента) на ОР 5 в каждой точке этих траекторий, которые должны располагаться в рабочей зоне ММ 2 и в поле зрения СТЗ 4 с подвижной оптической осью. Затем для каждой точки траекторий 6 также в функции времени, решая на управляющем контроллере типовые обратные задачи кинематики (ОЗК) (Fu K., Gonzales R. C., Lee C. S. G. Robotics: control, sensing, vision and intelligence // McGraw Hill. – 1987. – P. 53-75) для известной конструкции ММ 2, определяют и запоминают в памяти управляющего контроллера желаемые законы изменения во времени всех обобщенных координат этого ММ 2 для каждой траектории движения его РО 3. After stabilization of the point C of the
Далее, зная текущее расположение точки C и точки A (с использованием показаний СТЗ 4) в АСК, а также исходное расположение ММ 2 в связанной СК после решения ОЗК для этого ММ, определяют законы изменения во времени всех его обобщенных координат при переводе РО 3 ММ 2 из его исходного положения в точку A траектории 6 и затем подают уже определенные законы изменения всех обобщенных координат на входы приводов соответствующих степеней подвижности ММ 2 в функции времени, обеспечивая перевод его РО 3 из исходного положения до касания ОР 5 в точке A. Во время этого перевода, непрерывно в реальном масштабе зрения решая обратную задачу динамики (ОЗД) для ММ 2 по известному рекуррентному алгоритму (Филаретов В.Ф., Коноплин А.Ю. Система автоматической стабилизации подводного аппарата в режиме зависания при работающем многозвенном манипуляторе. Часть 1 // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2014. – № 6. – С. 53-56) с учетом ранее идентифицированных присоединенных масс и моментов инерции жидкости, определяют плавно изменяющиеся силовое и моментное воздействия на АНПА 1 со стороны перемещающегося в вязкой среде ММ 2. Эти воздействия автоматически компенсируют плавными изменениями тяг соответствующих движителей АНПА 1, которые формируют, подавая соответствующие рассчитываемые сигналы на их входы. Оставшиеся неточности отработки движителями смещений точки C АНПА 1 от ее исходной позиции в пространстве и от горизонтального расположения осей обусловленных воздействиями со стороны движущегося ММ 2, определяют и дополнительно компенсируют с помощью имеющихся следящих систем стабилизации АНПА 1 при наличии дополнительной информации, получаемой от его бортовой навигационной системы и от СТЗ 4, которая фиксирует смещения точки C АНПА 1 относительно маркеров Further, knowing the current location of point C and point A (using the readings of STZ 4) in the ASC, as well as the initial location of
Факт выявления контакта РО 3 с ОР 5 в точке A обеспечивают типовыми тактильными датчиками, устанавливаемым в месте крепления РО 3 к последнему звену ММ 2, или иными известными средствами. После выявления этого контакта и окончательного восстановления исходной позиции точки C АНПА в пространстве над ОР 5 с помощью следящих систем стабилизации АНПА, используя известные рекуррентные соотношения (Филаретов В.Ф., Зуев А.В., Губанков А.С. Управление манипуляторами при выполнении различных технологических операций. – М.: Наука, 2018. – с. 99-102) с учетом текущей конфигурации ММ определяют желаемые значения внешних моментов во всех сочленениях ММ и желаемые тяги движителей АНПА, которые в совокупности создают в точке A исходные желаемые и возможно переменные по величине и направлению силу и (или) момент со стороны РО 3 на ОР 5.The fact of detecting the contact of RO 3 with
Затем на входы соответствующих движителей АНПА скоординировано подают программные сигналы, изменяющиеся плавно и равномерно в заданном временном интервале от нуля до их расчетных величин, которые в точке C формируют в точке D – а в точке A при текущей конфигурации ММ 2 – требуемые исходные значения и . Величина указанного временного интервала зависит от величин , и динамических свойств движителей АНПА. Одновременно с подачей сигналов на движители АНПА в том же временном интервале путем типового решения ОЗД на вход каждого следящего привода соответствующей степени подвижности ММ 2 с учетом непрерывно вычисляемых для текущего момента времени , также равномерно во времени подают соответствующие программные сигналы, которые, обеспечивая равномерные нарастания внешних моментных воздействий на выходах всех приводов, создают равномерное реальное нарастание силовых и моментных воздействий , на ОР 5, не позволяя при этом ММ 2 изменять свою исходную (в момент первого контакта его РО 3 с ОР 5) конфигурацию. При этом сам АНПА 1, опирающийся на манипулятор сверху и представляющий собой неустойчивый перевернутый маятник, сохраняет свое устойчивое положение в пространстве (стабильные положение точки C и ориентацию осей даже при некоторых погрешностях в определении создаваемых силовых и моментных воздействий. Это обеспечивают путем создания незначительных дополнительных тяг движителей АНПА, которые формируют следящими системами его стабилизации, устраняя появление со временем даже малых линейных смещений точки C и ориентаций осей от их исходных позиций в АСК. Эти малые смещения также определяют с помощью СТЗ 4 и трех неподвижных маркеров М1-М3.Then, program signals are sent to the inputs of the corresponding AUV propulsors in a coordinated manner, changing smoothly and evenly in a given time interval from zero to their calculated values, which at point C form at point D - and at point A with the current configuration of MM 2 - the required initial values And . The value of the specified time interval depends on the values , and dynamic properties of AUV propellers. Simultaneously with the supply of signals to the AUV propulsion in the same time interval by a typical solution of the OZD to the input of each servo drive of the corresponding degree of
Если РО 3 выполняет, например, только взятие проб донного грунта, то по достижению FT значения, необходимого для ввода РО в грунт, начинают процесс его заглубления с помощью ММ 2, который при неподвижном АНПА 1 обеспечивают системой управления этим ММ. С помощью указанной системы при формировании соответствующих законов управления всеми приводами всех степеней подвижности ММ 2, непрерывно используя решения ОЗК и ОЗД ММ с учетом всех сил взаимовлияния между всеми степенями его подвижности друг на друга, сил вязкого трения, а также присоединенных масс и моментов инерции жидкости, а также текущие показания СТЗ 4, обеспечивают требуемое линейное движение РО 3 ММ 2 вглубь дна под заданным углом к нему, а затем в обратном порядке вынимают пробоотборник из грунта.If RO 3 performs, for example, only taking samples of the bottom soil, then upon reaching the F T value necessary to enter the RO into the soil, the process of deepening it with the help of
Если РО 3 требуется смещать с заданными FT и MT (возможно переменными), по сформированной ранее траектории 6 по поверхности ОР 5 от точки A и до точки B, то к исходному вектору силы FT добавляют еще векторы сил сухого трения и силового воздействия на объект вдоль траектории 6. В результате формируют новые векторы сил и моментов (FT и MT). Эти новые векторы начинают использовать при переводе РО 3 из исходной точки A в очередную точку на траектории 6. При этом для получения новых векторов FT и MT при текущей конфигурации ММ 2 по указанным ранее рекуррентным соотношениям рассчитывают новые векторы FD2 и MD2, а затем и тяги всех шести движителей АНПА 1. При этом также формируют новые значения программных сигналов, подаваемых на все приводы ММ 2 для создания внешних моментов на приводах всех его степеней подвижности, соответствующих величинам полученных новых значений FT, MT. If RO 3 needs to be displaced with given F T and M T (possibly variable), along the previously formed trajectory 6 along the surface of
Перед началом рабочего движения ММ 2 в зависимости от выполняемой программы задают постоянную или переменную скорость перемещения конца его РО 3 по траектории 6 от точки A до точки B с уже определенным (возможно переменным) силовым FT и моментным MT воздействием этого РО 3 на ОР 5. Сформированные для каждой степени подвижности ММ 2 программные значения обобщенных координат, их скоростей и ускорений, а также внешних моментов подают на входы позиционно-силовых систем управления (Филаретов В.Ф., Зуев А.В., Губанков А.С. Управление манипуляторами при выполнении различных технологических операций. – М.: Наука, 2018. – с. 93-99) всеми электроприводами ММ 2, которые обеспечивают одновременную минимизацию ошибок как по положению выходного вала редуктора каждого электропривода ММ 2, так и по развиваемому внешнему моменту. Это обеспечивает точное движение РО 3 по траектории 6 с точным силовым воздействием на ОР 5. Во время этого движения для определения фактических значений внешних моментов приводов ММ, обусловленных воздействием РО 3 на ОР 5 и необходимых для реализации обратных связей указанных позиционно-силовых систем, используют вычисленные с помощью диагностических наблюдателей суммарные значения обобщенных внешних моментов, из которых, как отмечалось ранее, вычитают составляющие взаимовлияний с реальными значениями масс и моментов инерции звеньев ММ, моменты от действия гидростатических сил, моменты вязкого трения, а также моменты, обусловленные наличием идентифицированных присоединенных масс и моментов инерции жидкости. Before the start of the working
Во время точного движения ММ 2 по траектории 6 определяют силовые и моментные воздействия FD1, MD1, которые движущийся в водной среде ММ оказывает на АНПА 1 в точке его крепления к последнему. Эти воздействия рассчитывают с помощью ранее указанного рекуррентного алгоритма решения ОЗД, но в этом алгоритме уже используют идентифицированные величины присоединенных масс и моментов инерции жидкости, а также моменты вязкого трения, возникающего при перемещениях всех звеньев ММ 2 в водной среде, моменты, обусловленные взаимовлияниями между всеми звеньями и степенями подвижности ММ, и значения векторов силы - FT и момента - MT, действующих со стороны ОР 5 на РО 3 ММ. During the precise movement of the
Одновременно с движением РО 3 ММ 2 по траектории 6 обеспечивают не только описанную выше целевую компенсацию FD1, MD1 движителями АНПА 1, которая реально может быть и не совсем точной, но и используют дополнительную стабилизацию положения и ориентации АНПА 1 в АСК с помощью установленных в нем типовых следящих систем управления, которые за счет введения с помощью СТЗ 4 отрицательных обратных связей по всем его степеням свободы позволяет минимизировать все погрешности, а также неточности определения и отработки движителями АНПА реальных FD1, MD1. Simultaneously with the movement of the RO 3
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2799176C1 true RU2799176C1 (en) | 2023-07-04 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2814354C1 (en) * | 2023-07-19 | 2024-02-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий им. академика М.Д. Агеева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for stabilizing autonomous unmanned underwater vehicle in hovering mode when performing contact operations with underwater objects by installed on it multi-link manipulator |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080275594A1 (en) * | 2002-10-11 | 2008-11-06 | Neil De Guzman | Apparatus And Method For An Autonomous Robotic System For Performing Activities In A Well |
CN102029611A (en) * | 2009-09-25 | 2011-04-27 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | Device and method for controlling micro underwater robot |
RU2475799C2 (en) * | 2011-05-04 | 2013-02-20 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Method of controlling underwater manipulator in hovering mode of underwater vehicle |
RU2789510C1 (en) * | 2022-11-09 | 2023-02-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий им. академика М.Д. Агеева Дальневосточного отделения Российской академии наук | Method for position-force control of an underwater vehicle with a multi-link manipulator for performing contact manipulation operations with underwater objects |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080275594A1 (en) * | 2002-10-11 | 2008-11-06 | Neil De Guzman | Apparatus And Method For An Autonomous Robotic System For Performing Activities In A Well |
CN102029611A (en) * | 2009-09-25 | 2011-04-27 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | Device and method for controlling micro underwater robot |
RU2475799C2 (en) * | 2011-05-04 | 2013-02-20 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Method of controlling underwater manipulator in hovering mode of underwater vehicle |
RU2789510C1 (en) * | 2022-11-09 | 2023-02-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий им. академика М.Д. Агеева Дальневосточного отделения Российской академии наук | Method for position-force control of an underwater vehicle with a multi-link manipulator for performing contact manipulation operations with underwater objects |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2814354C1 (en) * | 2023-07-19 | 2024-02-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий им. академика М.Д. Агеева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for stabilizing autonomous unmanned underwater vehicle in hovering mode when performing contact operations with underwater objects by installed on it multi-link manipulator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Antonelli et al. | Modelling of underwater robots | |
Artigas et al. | The OOS-SIM: An on-ground simulation facility for on-orbit servicing robotic operations | |
Avila et al. | Experimental model identification of open-frame underwater vehicles | |
Pazmiño et al. | Experiences and results from designing and developing a 6 DoF underwater parallel robot | |
KR101643193B1 (en) | Unmanned underwater vehicle using mass moving | |
CN107656530B (en) | Variable-parameter open-frame type ocean underwater robot trajectory tracking control method, device and system | |
JP2017206154A (en) | Underwater sailing body control device, underwater sailing system, underwater sailing body control method and program | |
Filaretov et al. | System of automatic stabilization of underwater vehicle in hang mode with working multilink manipulator | |
Campos et al. | A nonlinear controller based on saturation functions with variable parameters to stabilize an AUV | |
Ali et al. | Controlling and stabilizing the position of remotely operated underwater vehicle equipped with a gripper | |
Ferreira et al. | Control and guidance of a hovering AUV pitching up or down | |
Duan et al. | Fast terminal sliding mode control based on speed and disturbance estimation for an active suspension gravity compensation system | |
Bak et al. | Hovering control of an underwater robot with tilting thrusters using the decomposition and compensation method based on a redundant actuation model | |
Gao et al. | Hybrid position/force control of 6-dof hydraulic parallel manipulator using force and vision | |
Lin et al. | Standoff tracking of a ground target based on coordinated turning guidance law | |
RU2799176C1 (en) | Method for position-force control of an autonomous uninhabited underwater vehicle with a multistage manipulator | |
Jin et al. | Back-stepping control design for an underwater robot with tilting thrusters | |
Ramón et al. | Task space control for on-orbit space robotics using a new ROS-based framework | |
Sah et al. | Development of on-ground hardware in loop simulation facility for space robotics | |
Kiselev et al. | Selected Features of Autonomous Underwater Robot Dynamics under Near-Bottom Equidistant Motion Control | |
Worrall et al. | Autonomous planetary rover control using inverse simulation | |
Rojas et al. | Modelling and essential control of an oceanographic monitoring remotely operated underwater vehicle | |
Huang et al. | Robotic contour tracing with high-speed vision and force-torque sensing based on dynamic compensation scheme | |
Timoshenko et al. | An Approach to the Construction of High-Quality Position Force Control Systems for Autonomous Underwater Vehicles with a Multi-Link Manipulator | |
Cavenago et al. | Unexpected collision detection, estimation, and reaction for a free-flying orbital robot |