08. Интегрированная модель мобильной роботизированной платформы / М. В. Чугунов

Печать

УДК 631.58:004.9

DOI: 10.15507/2658-4123.031.202104.609-627

Интегрированная модель мобильной роботизированной платформы

Чугунов Михаил Владимирович
заведующий кафедрой конструкторско-технологической информатики Рузаевского института машиностроения Национального исследовательского Мордовского государственного университета (430005, Российская Федерация, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68), кандидат технических наук, доцент, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5318-5684, Researcher ID: H-7452-2018, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Полунина Ирина Николаевна
доцент кафедры конструкторско-технологической информатики Рузаевского института машиностроения Национального исследовательского Мордовского государственного университета (430005, Российская Федерация, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68), кандидат педагогических наук, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1093-8401, Researcher ID: H-7473-2018, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Дивин Александр Георгиевич
профессор кафедры мехатроники и технологических измерений Тамбовского государственного технического университета (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106), доктор технических наук, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7578-0505, Researcher ID: G-5718-2017, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Генералова Александра Александровна
доцент кафедры транспортных машин Пензенского государственного университета (440026, Российская Федерация, г. Пенза, ул. Красная, д. 40), кандидат технических наук, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3900-619X, Researcher ID: AAS-6867-2021, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Никулин Артем Анатольевич
аспирант кафедры транспортных машин Пензенского государственного университета (440026, Российская Федерация, г. Пенза, ул. Красная, д. 40), ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1834-6053, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Бычков Дмитрий Сергеевич
аспирант кафедры транспортных машин Пензенского государственного университета (440026, Российская Федерация, г. Пенза, ул. Красная, д. 40), ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1648-2289, Researcher ID: AAS-5799-2021, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Аннотация
Введение. Комитет «Умное агро» научно-образовательного центра «Инженерия будущего» определил ряд задач, актуальных для повышения эффективности точного, почвозащитного и ресурсосберегающего земледелия. Одной из таких задач является разработка цифровой мультиагентной системы, обеспечивающей ряд сервисов, предоставляемых агропредприятиям, разработчикам и производителям сельскохозяйственной техники. Целью настоящего исследования является моделирование автономной мобильной роботизированной платформы и разработка программно-аппаратных средств траекторного управления.
Материалы и методы. В качестве методов и инструментов решения поставленной задачи используются современные CAx-системы и их приложения, методы 3D- и натурного моделирования, численного решения задач в терминах механики деформируемого твердого тела. Для расширения и углубления штатного функционала CAx-систем (SolidWorks) в части программной реализации алгоритмов траекторного управления используются методы и технологии программирования с использованием API SolidWorks в среде VisualStudio C++ (MFC, ATL, COM), а для построения натурных моделей – платформы Arduino и fischertechnik.
Результаты исследования. Результатом исследования является программно-аппаратный модуль траекторного управления для интегрированной (натурной и виртуальной) модели мобильной роботизированной платформы, который может быть предоставлен потребителю как сервис автономизации техники. Для разработанной модели выполнено тестирование алгоритмов управления для траекторий различного вида.
Обсуждение и заключение. Разработанная интегрированная программно-аппаратная модель траекторного управления может быть использована как разработчиками и производителями сельскохозяйственной техники, так и непосредственно агропредприятиями для выполнения типовых технологических процессов. Особенностью реализации является открытый программно-аппаратный интерфейс, обеспечивающий интеграцию мобильных роботизированных платформ на базе цифровой мультиагентной системы.

Ключевые слова: роботизированная транспортно-технологическая платформа, CAD/CAE, автономизация техники, натурные и виртуальные модели, траекторное управление, параметрическое проектирование, цифровая мультиагентная платформа

Благодарности: авторы благодарят анонимных рецензентов, а также выражают признательность руководству и модераторам НОЦ «Инженерия будущего» за помощь, оказанную в процессе подготовки проекта.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Интегрированная модель мобильной роботизированной платформы / М. В. Чугунов [и др.] // Инженерные технологии и системы. 2021. Т. 31, № 4. С. 609–627. doi: https://doi.org/10.15507/2658-4123.031.202104.609-627

Заявленный вклад соавторов:
М. В. Чугунов – концепция и структура проекта, разработка моделей движения и каркаса приложения.
И. Н. Полунина – 3D-моделирование деталей и сборок, разработка программного обеспечения.
А. Г. Дивин – разработка математических моделей и алгоритмов.
А. А. Генералова – разработка натурной модели.
А. А. Никулин – проведение численных экспериментов.
Д. С. Бычков – проведение натурных экспериментов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила 28.06.2021; одобрена после рецензирования 10.08.2021;
принята к публикации 17.09.2021

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Gorodetsky V., Skobelev P., Mařík V. System Engineering View on Multi-Agent Technology for Industrial Applications: Barriers and Prospects // Cybernetics and Physics. 2020. Vol. 9, Issue 1. P. 13–30. doi: https://doi.org/10.35470/2226-4116-2020-9-1-13-30

2. Field Robots for Intelligent Farms–Inhering Features from Industry [Электронный ресурс] / P. Gonzalez-de-Santos [et al.] // Agronomy. 2020. Vol. 10, Issue 11. doi: https://doi.org/10.3390/agronomy10111638

3. Real-Time 3D Unstructured Environment Reconstruction Utilizing VR and Kinect-Based Immersive Teleoperation for Agricultural Field Robots [Электронный ресурс] / Y. Chen [et al.] // Computers and Electronics in Agriculture. 2020. Vol. 175. doi: https://doi.org/10.1016/j.compag.2020.105579

4. Matraji K., Al-Wahedi K., Al-Durra A. Higher-Order Super-Twisting Control for Trajectory Tracking Control of Skid-Steered Mobile Robot // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 124712–124721. doi: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3007784

5. P+d Plus Sliding Mode Control for Bilateral Teleoperation of a Mobile Robot / L. R. Salinas [et al.] // International Journal of Control, Automation and Systems. 2018. Vol. 16. P. 1927–1937. doi: https://doi.org/10.1007/s12555-017-0439-x

6. Xinchen G., Zhenying L., Caihong L. Finite Time Tracking Control of Mobile Robot Based on Non-Singular Fast Terminal Sliding Mode // Systems Science & Control Engineering. 2018. Vol. 6, Issue 1. P. 492–500. doi: https://doi.org/10.1080/21642583.2018.1542636

7. Backstepping Trajectory Tracking Based on Fuzzy Sliding Mode Control for Differential Mobile Robots / X. Wu [et al.] // Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2019. Vol. 96. P. 109–121. doi: https://doi.org/10.1007/s10846-019-00980-9

8. Research and Development in Agricultural Robotics: a Perspective of Digital Farming [Электронный ресурс] / R. R. Shamshiri [et al.] // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2018. Vol. 11, Issue 4. doi: https://doi.org/10.25165/j.ijabe.20181104.4278

9. Extended Ackerman Steering Principle for the Coordinated Movement Control of a Four Wheel Drive Agricultural Mobile Robot / Q. Qiu [et al.] // Computers and Electronics in Agriculture. 2018. Vol. 152, Issue 9. P. 40–50. doi: https://doi.org/10.1016/j.compag.2018.06.036

10. Gao G., Qin Q., Chen Sh. Turning Control of a Mobile Robot Forgreenhouse Spraying Based on Dynamic Sliding Mode Control [Электронный ресурс] // International Journal of Advanced Robotic Systems. 2017. Vol. 14, Issue 6. doi: https://doi.org/10.1177/1729881417744754

11. Trajectory Tracking Control of Skid-Steered Mobile Robot Based on Adaptive Second Order Sliding Mode Control / I. Matraji [et al.] // Control Engineering Practice. 2018. Vol. 72, Issue 3. P. 167–176. doi: https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2017.11.009

12. LAMDA Control Approaches Applied to Trajectory Tracking for Mobile Robots / L. Morales [et al.] // IEEE Access. 2021. Issue 9. P. 37179–37195. doi: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3062202

13. Slawiñski E., Santiago D., Mut V. Dual Coordination for Bilateral Teleoperation of a Mobile Robot with Time Varying Delay // IEEE Latin America Transactions. 2020. Vol. 18, Issue 10. P. 1777–1784. doi: https://doi.org/10.1109/TLA.2020.9387669

14. Haptic Tele-Driving of Wheeled Mobile Robots under Non-ideal Wheel Rolling, Kinematic Control and Communication Time Delay / W. Li [et al.] // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems. 2020. Vol. 50, Issue 1. P. 336–347. doi: https://doi.org/10.1109/TSMC.2017.2738670

15. Evaluation of a Predictor-Based Framework in High-Speed Teleoperated Military UGVs / Y. Zheng [et al.] // IEEE Transactions on Human-Machine Systems. 2020. Vol. 50, Issue 6. P. 561–572. doi: https://doi.org/10.1109/THMS.2020.3018684

16. Tzafestas S. G. Mobile Robot Control and Navigation: A Global Overview // Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2018. Vol. 91. P. 35–58. doi: https://doi.org/10.1007/s10846-018-0805-9

17. Rapoport L. B. Estimation of Attraction Domains in Wheeled Robot Control // Automation and Remote Control. 2006. Vol. 67. P. 1416–1435. doi: https://doi.org/10.1134/S0005117906090062

18. Gilimyanov R. F., Pesterev A. V., Rapoport L. B. Motion Control for a Wheeled Robot Following a Curvilinear Path // Journal of Computer and Systems Sciences International. 2008. Vol. 47. P. 987–994. doi: https://doi.org/10.1134/S1064230708060129

19. Rapoport L. B. The Periodic Solution of Two-Dimensional Linear Nonstationary Systems and Estimation of the Attraction Domain Boundary in the Problem of Control of a Wheeled Robot // Automation and Remote Control. 2011. Vol. 72. P. 2339–2347. doi: https://doi.org/10.1134/S0005117911110087

20. Pesterev A. V., Rapoport L. B. Stabilization Problem for a Wheeled Robot Following a Curvilinear Path on Uneven Terrain // Journal of Computer and Systems Sciences International. 2010. Vol. 49. P. 672–680. doi: https://doi.org/10.1134/S1064230710040155

21. Pesterev A. V. Synthesis of a Stabilizing Control for a Wheeled Robot Following a Curvilinear Path // Automation and Remote Control. 2012. Vol. 73. P. 1134–1144. doi: https://doi.org/10.1134/S000511791207003X

22. Pesterev A. V., Rapoport L. B. Canonical Representation of the Path Following Problem for Wheeled Robots // Automation and Remote Control. 2013. Vol. 74. P. 785–801. doi: https://doi.org/10.1134/S0005117913050044

23. Mechatronic System for Fruit and Vegetables Sorting [Электронный ресурс] / P. Balabanov [et al.] // II International Scientific Conference “Advanced Technologies in Aerospace, Mechanical and Automation Engineering” (18–21 November 2019). Vol. 734. Krasnoyarsk, 2019. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/734/1/012128

24. Берестова С. А., Мисюра Н. Е., Митюшов Е. А. Кинематическое управление движением колесных транспортных средств // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. 2015. Т. 25, № 2. С. 254–266. URL: http://www.mathnet.ru/links/0ee54f8b9a883b3110138244e322e405/vuu482.pdf

25. Девятериков Е. А. Алгоритм описания траектории мобильного робота по данным визуального одометра для автоматического возвращения к оператору // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014. № 12. С. 705–715. URL: https://clck.ru/YK7bM (дата обращения: 14.02.2021).

26. A General Euler Angle Error Model of Strapdown Inertial Navigation Systems [Электронный ресурс] / J. Li [et al.] // Applied Sciences. 2018. Vol. 8, Issue 1. doi: https://doi.org/10.3390/app8010074

27. Sekaran J., Kaluvan H., Irudhayaraj L. Modeling and Analysis of GPS–GLONASS Navigation for Car Like Mobile Robot // Journal of Electrical Engineering & Technology. 2020. Issue 15. P. 927–935. doi: https://doi.org/10.1007/s42835-020-00365-1

28. Stelian-Emilian O. Mobile Robot Platform with Arduino Uno and Raspberry Pi for Autonomous Navigation // Procedia Manufacturing. 2019. Vol. 32. P. 572–577. doi: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.02.254

29. Al-Sahib N. K. A., Azeez M. Z. Build and Interface Internet Mobile Robot using Raspberry Pi and Arduino // Innovative Systems Design and Engineering. 2015. Vol. 6, no. 1. P. 106–114. URL: https://www.iiste.org/Journals/index.php/ISDE/article/view/19583

30. Mikheenko I. S., Romanov A. M. Unified Control System for Modular Reconfigurable Robots // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus) (28–31 Jan. 2019). Saint Petersburg, Moscow : IEEE, 2019. P. 661–665. doi: https://doi.org/10.1109/EIConRus.2019.8656759

31. Чугунов М. В., Полунина И. Н. Междисциплинарное моделирование роботов с использованием систем автоматизированного проектирования // Вестник Мордовского университета. 2018. Т. 28, № 2. С. 181–190. doi: https://doi.org/10.15507/0236-2910.028.201802.181-190

32. Чугунов М. В., Полунина И. Н., Попков М. А. Проектирование квадрокоптера на базе интегрированной модельной среды // Инженерные технологии и системы. 2019. Т. 29, № 2. С. 169–186. doi: https://doi.org/10.15507/2658-4123.029.201902.169-186

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.