Тема: Система дистанционного управления движением гусеничной машины по программной траектории

В современном мире наряду с вопросами качества систем управления стоят вопросы эргономики и безопасности рабочего процесса. Деятельность человека в условиях стремительного развития научно-технического прогресса становится с каждым днём всё более напряжённой и связана с более сложной техникой. В связи с этим снижается качество проводимых работ. Выполняя работу в неблагоприятной и опасной производственной среде на пределе своих физиологических и психических возможностей, человек может допустить ошибки, которые могут стать критическими. Кроме того, такие чрезвычайные ситуации, как на Чернобыльской АЭС и АЭС Фукусима-1 показали всю необходимость удаленного управления специальной техникой. Поэтому стремление снизить влияние человеческого фактора на качество управления машинами, а также стремление исключить участие человека-оператора в работах, вредных и опасных для его жизни и здоровья, вынуждают инженеров проектировать дистанционно-управляемые машины различного типа и назначения.
В первую очередь это машины военного назначения, которые предназначены для решения как разведывательных, так и боевых задач. Также дистанционно-управляемые машины находят широкое применение в задачах горнодобывающей промышленности, в гражданском, промышленном, гидротехническом и дорожном строительстве. В этих случаях системы дистанционного управления требуют достаточную помехозащищенность, быстродействие, высокую дальность связи, а также наличие средств наблюдения за техникой и параметрами ее агрегатов в реальном времени.
Одним из первых шагов к внедрению средств дистанционного управления в гусеничную технику стал советский телетанк ТТ-18, управляемый дистанционно посредством радиосвязи. Разработки и усовершенствование подобных систем дистанционного управления военной техникой продолжаются и по сей день, и на сегодняшний момент оборонная промышленность уверенно предлагает свои решения, создавая новейшие боевые роботизированные комплексы. Одним из таких является боевой многофункциональный робототехнический комплекс - "Уран-9" [4]. Дистанционное управление роботом осуществляется по радиоканалу из передвижного пункта управления (ПУ) либо при помощи переносного пульта дистанционного управления (ПДУ). В ПУ организовано рабочее место оператора, установлено оборудование с органами управления и специализированным программным обеспечением для организации связи и управления роботом, также установлено несколько мониторов, позволяющих в реальном времени наблюдать за роботом с помощью специальных камер на нем и отслеживать его состояние. При работе из ПУ дальность связи может достигать 3 км в зависимости от той местности, на которой производятся боевые действия. Снизить дальность связи способен рельеф местности, плотность застройки, наличие лесов, а также насыщенность различной техники рядом с роботом, помехи радио или линии электропередач. В этом заключается основная проблема данного комплекса - низкая надежность связи ПУ с роботом и необходимость хорошей "видимости" между ними из-за отсутствия резервных каналов связи.
Используемая в горнодобывающей промышленности техника, такая как бульдозеры, бурильные машины, экскаваторы, погрузчики также оснащаются системами дистанционного управления. Бульдозеры D10 и D11N фирмы «Caterpillar», оборудованные системами дистанционного управления австралийской компании «Remote Control Technologies Pty Ltd» («RCT») [3] стали одними из первых машин такого типа, управляемых дистанционно. Компания «RCT» является лидером в области дистанционно управляемых бульдозеров и по сей день. Машины оснащаются средствами связи с оператором, дополнительными вычислительными устройствами для обработки управляющих команд оператора и фиксации показаний датчиков, комплексом датчиков и средствами видеонаблюдения. Управление обеспечивается как с помощью ПДУ на расстоянии до 200 м, так и на расстоянии до 1000 м из удаленного ПУ, в котором оборудованы рабочие места, дублирующие органы управления, специальные мониторы заменяют окна кабин, видеокамеры в режиме реального времени передают на экраны изображение с работающих машин. Управляющие команды от оператора, показания датчиков и видеопоток с камер передаются по радиоканалам в разных диапазонах частот, что позволяет повысить надежность связи ПУ с машинами. Однако данная система предусмотрена для ограниченного списка техники с гидромеханической трансмиссией, в который входят лишь зарубежные производители («Caterpillar», «Komatsu», «Toyota», «Hitachi»). В связи с этим возникают сложности с адаптацией системы для техники «ДСТ- Урал» на гидростатической трансмиссии (ГСТ). Скопировать систему представляется возможным лишь в аппаратной части, однако подробные алгоритмы работы остаются неизвестными в силу закрытости программного обеспечения.
Рассмотренные выше варианты имеют ряд недостатков, а именно: низкая дальность связи, невысокая надежность связи ПУ с объектом управления, сложность в согласовании системы с техникой с гидростатической трансмиссией. Но главным недостатком является то, что во всех случаях управление осуществляется человеком-оператором, что влечет за собой необходимость постоянной поддержки связи между машиной и оператором, сложность оценивания оператором обстановки вокруг машины по данным телеметрии, возможность выхода техники за пределы зоны наблюдения. Хотя оператор и находится в безопасных рабочих условиях, управлять техникой по-прежнему должен он, и на результат работы так же будет сказываться утомляемость оператора, невнимательность, психологическое состояние и другие человеческие факторы. В связи с этим возникает потребность перехода от дистанционно управляемой техники к технике, способной функционировать в автономном режиме.
Одним из частных случаев движения техники без прямого участия оператора является движение по программной траектории. В таком случае необходимо точное определение текущего положения объекта. Сегодня существует достаточное количество способов определения текущих координат местоположения наземных движущихся объектов. К таковым относятся спутниковая навигация, радионавигация и инерциальная навигация, а также комплексирование нескольких методов [5-7]. Для техники, используемой внутри помещений, зачастую определение местоположения осуществляется с применением оптических и ультразвуковых устройств. Таким образом, объединение возможности дистанционного управления техникой и возможности навигации подвижных объектов позволит максимально исключить влияние человеческого фактора на ход выполняемых работ, а также на порядок повысить производительность.
Поэтому целью дипломной работы является разработка системы дистанционного управления движением гусеничной машины по программной траектории с реализацией пульта дистанционного управления на мобильном устройстве на базе ОС Android.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Провести анализ известных на рынке решений.
2. Систематизировать информацию по теоретической и технической части навигационных систем.
3. Изучить принцип работы бортовой системы управления гусеничной машины на базе тягача ТМ 10.
4. Определить общую структуру системы дистанционного управления
движением гусеничной машины по программной траектории.
5. Разработать алгоритмы, аппаратную и программную часть системы дистанционного управления движением машины по программной траектории.
6. Реализовать уменьшенную физическую модель гусеничной машины.
7. Провести испытания уменьшенной физической модели гусеничной машины.
Объектом исследования. Бортовые системы управления и навигационные комплексы подвижных наземных объектов.
Предмет исследования. Алгоритмы управления, аппаратная и программная часть бортового комплекса, реализующего движение гусеничной машины по программной траектории.
Методы исследования. Исследования, проводимые в работе, основаны на комплексном использовании теории автоматического управления, программирования промышленных контроллеров, современных средств проектирования систем управления, построения навигационных систем, разработки программного обеспечения для мобильных устройств, основ автоматизированного проектирования, системного программного обеспечения.

Купить

В работе проведен анализ действующей системы управления движением бульдозера ТМ10 предприятия ООО «ДСТ-Урал», проанализированы аналогичные системы дистанционного управления, выявлены их достоинства и недостатки, а также определена концепция разработки дистанционной системы управления движением машины и способы её интеграции в существующую систему.
Для проведения испытаний разработана уменьшенная физическая модель гусеничной машины, состоящая из ПЛК BODAS RC 12-10/30, одноплатного компьютера Raspberry Pi 3B, CAN Bus модуля MCP2515, электродвигателей МЭ 250, драйверов двигателей XY-MOS 15A, реле SONGLE SRD-05VDC, щелевых оптических датчиков FC-03 и оптических датчиков препятствий KY-032.
В разработанном мобильном приложении создана форма авторизации оператора, реализован виртуальный джойстик управления, картографический сервис, средство мониторинга параметров машины. Для обеспечения защиты передаваемых данных применен алгоритм хеширования MD5.
Разработан навигационный модуль на базе МЭМС-датчика MPU6050 и платы Arduino Uno. Разработаны алгоритм обработки данных навигационного модуля и алгоритм движения машины по программной траектории, задание которой осуществляется при помощи ввода информации на веб-странице. Проведено 4 серии лабораторных испытаний по 30 опытов в каждой, в результате которых выявлено, что наибольшая погрешность оценки пройденного лабораторным макетом расстояния составляет 13 % и возникает при использовании программного фильтра Калмана. Также при использовании данного метода фильтрации возникает наибольший разброс оценки пройденного расстояния 0,13 м (13 %), а максимальная ошибка оценки пройденного расстояния достигает 43 %. Наилучший результат получен с использованием встроенного в навигационный модуль ФНЧ с частотой среза 44 Гц. При такой фильтрации наибольший разброс вычисленного навигационным модулем расстояния составляет 0,1 м (10 %), а ошибка составляет 9 %. При этом максимальная ошибка оценки пройденного расстояния достигает 31 %. Отработка лабораторным макетом замкнутой траектории в виде квадрата со стороной 1 м показала, что среднее отклонение от заданной траектории составляет 4,7 %, максимальное отклонение макета в конце траектории от точки старта равняется 11,2 %, а минимальное - 6,7 %, что соответствует требованиям технического задания. Возникшие погрешности и отклонения от траектории обусловлены несовершенством применяемых чувствительных элементов, их креплением к корпусу лабораторного макета и высоким уровнем вибраций в результате работы двигателей.
Результатом проведенной работы является система дистанционного управления движением гусеничной машины по программной траектории. В дальнейшем планируется усовершенствование элементной базы навигационного модуля, привлечение дополнительных средств и способов подавления внешних шумов, проведение полевых испытаний на реальной технике, применение методов комплексирования навигационных систем, и интеграция разработанной системы в действующую бортовую систему техники «ДСТ-Урал».

Купить