Динамические модели управления и стабилизации движения манипулятора беспилотного летательного аппарата

Цель исследования. Повышение точности наведения робототехнического захвата, установленного на беспилотном летательном аппарате, и стабильности всей комбинированной воздушной манипуляционной системы является основной целью данного исследования. Для достижения указанной цели была решена частная задача разработки системы управления манипулятора, которая учитывает совместное рабочее пространство манипулятора и беспилотного летательного аппарата.
Методы. В данной работе предложена кинематическая модель манипулятора с тремя степенями свободы, которая является частью воздушной манипуляционной системы квадроротора. Поворотное движение двух последовательных звеньев выполняется с помощью шарнирного соединения. Для данного манипулятора были решены прямая и обратная задача кинематики, а также получены уравнения для динамической модели. Динамический отклик каждого звена достаточен для быстрой стабилизации системы с небольшим перерегулированием. На основе этих данных для управления манипулятором был разработан самонастраивающийся нечеткий пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор. Система управления для каждого звена манипулятора состоит из ПИД-регулятора и нечеткого ПИД-вывода с использованием метода Мамдани.
Результаты. Было проведено моделирование разработанной системы управления манипулятором при отсутствии возмущений. Показано, что предложенная система управления удовлетворяет заданным требованиям и обеспечивает непрерывное и плавное перемещение звеньев манипулятора по рассчитанной траектории.
Заключение. Разработанный метод управления движением трехзвенного манипулятора обеспечивает горизонтальный сдвиг центра масс не более 1,25 мм, что является приемлемым результатом для быстрой стабилизации беспилотным летательным манипулятором и проведения дальнейших практических экспериментов.

1. Luo C., Yu L., Ren P. A. Vision-Aided Approach to Perching a Bioinspired Unmanned Aerial Vehicle // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2018. № 65(5). Р. 3976-3984. https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2764849

2. Korpela C.M., Danko T.W., Oh P. Y. MM-UAV: Mobile manipulating unmanned aerial vehicle // Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2012. № 65(1-4). https://doi.org/10.1007/s10846-011-9591-393-101.

3. Ронжин А.Л., Нгуен В.В., Соленая О. Анализ проблем разработки беспилотных летательных манипуляторов и физического взаимодействия БЛА с наземными объектами // Труды МАИ. 2018. № 98. Р. 28-28. URL: http://www.trudymai.ru/upload/iblock/3ee/Ronzhin_Nguen_Solenaya_rus.pdf?lang=en&issue=98

4. Cardona G.A., Tellez-Castro D., Mojica-Nava E. Cooperative Transportation of a Cable-Suspended Load by Multiple Quadrotors // IFAC-PapersOnLine. 2019. № 52(20). Р. 145-150. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2019.12.149

5. Khalifa A. Novel quadrotor manipulation system // arXiv:1904.05090v1 [cs.RO]. – 2019. URL: https://arxiv.org/pdf/1904.05090.pdf

6. Ermolov I. Industrial Robotics Review. In: Studies in Systems // Decision and Control. 2020. № 272. Р. 195-204. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37841-7_16

7. Patil A., Kulkarni M., Aswale A. Analysis of the inverse kinematics for 5 DOF robot arm using D-H parameters // Proceedings of the 2017 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics. 2017. Р. 688-693. https://doi.org/10.1109/RCAR.2017.8311944

8. Vu Q., Ronzhin A. A Model of Four-Finger Gripper with a Built-in Vacuum Suction Noz-zle for Harvesting Tomatoes // Proceedings of 14th International Conference on Electro-mechanics and Robotics “Zavalishin's Readings”. 2020. Р. 149-160. https://doi.org/10.1007/978-981-13-9267-2_13

9. Bezruk G.G., Martynova L.A., Saenko I.B. Dynamic Method of Searching Anthropogen-ic Objects in Use of Seabed with Autonomous Underwater Vehicles // SPIIRAS Proceedings. 2018. № 3. Р. 203-226. https://doi.org/10.15622/sp.58.9

10. Medvedev M.Y., Kostjukov V.А., Pshikhopov V.K. Optimization of mobile robot movement on a plane with finite number of repeller sources // SPIIRAS Proceedings. 2020. № 19. Р. 43-78. https://doi.org/10.15622/10.15622/sp.2020.19.1.2.

11. Khalifa A., Fanni M., Ramadan A., Abo-Ismail A. New quadrotor manipulation system: Inverse kinematics, identification and ric-based control // International Journal of Recent advances in Mechanical Engineering (IJMECH). 2015. № 4(3). Р. 39-58. https://doi.org/10.14810/ijmech.2015.4304

12. Kabir U., Hamza M.F., Haruna A., Shehu G.S. Performance analysis of PID, PD and fuzzy controllers for position control of 3-DOF robot manipulator // Zaria Journal of Electrical Engineering Technology, Department of Electrical Engineering. 2019. № 8(1). Р. 18-25. URL: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1910/1910.12076.pdf

13. Nyein T.H.I.D.A., Z.M. Oo, Hlaing H.T. Fuzzy Based Control of Two Links Robotic Manipulator // International Journal of Scientific Engineering and Technology Research. 2019. № 8. Р. 1-7. URL: http://ijsetr.com/uploads/465213IJSETR17300-01.pdf

14. Sarkhel P., Banerjee N., Hui N.B. Fuzzy logic-based tuning of PID controller to control flexible manipulators // SN Applied Sciences. 2020. № 2. Р. 11 – 24. https://doi.org/10.1007/s42452-020-2877-y

15. Saxena A., Kumar J., Deolia V.K. Design a Robust Intelligent Controller for Rigid Robotic Manipulator System having Two Links and Payloads // 2020 International Conference on Power Electronics & IoT Applications in Renewable Energy and its Control (PARC). 2020. Р. 159-163.

16. Aliabadi M., Mashayekhifard J., Mohaظzabi B. Intelligent and classic control of rehabilitation robot with robust pid and fuzzy methods // Majlesi Journal of Mechatronic Systems. 2020. № 9 (1). Р. 31-36. http://journals.iaumajlesi.ac.ir/ms/index/index.php/ms/article/view/435

17. Nguyen V., Saveliev A., Ronzhin A. Mathematical Modelling of Control and Simultaneous Stabilization of 3-DOF Aerial Manipulation System // In International Conference on Interactive Collaborative Robotics. 2020. Р. 253-264. https://doi.org/10.1007/978-3-030-60337-3_25

18. Flying robots / S. Leutenegger, C. Hürzeler, A.K. Stowers, K. Alexis, M.W. Achtelik, D. Lentink, P.Y. Oh, R. Siegwart // Springer Handbook of Robotics. Springer, Cham. 2016. Р. 623-670. https://doi.org/10.1007/978-3-319-32552-1

19. Bharadwaj D., Prateek M. Kinematics and dynamics of lower body of autonomous humanoid biped robot // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE). 2019. № 8(4). Р. 141-146. URL: https://www.researchgate.net/publication/331062407_Kinematics_and_dynamics_of_lower_body_of_autonomous_humanoid_Biped_Robot

20. Gupta A., Mondal A.K., Gupta M.K. Kinematic, Dynamic analysis and control of 3 DOF upper-limb robotic exoskeleton // Journal Européen des Systèmes Automatisés. – 2019. № 52(3). Р. 515-520. https://doi.org/10.18280/jesa.520311

21. Barghi Jond H., V Nabiyev V., Benveniste R. Trajectory Planning Using High Order Polynomials under Acceleration Constraint // Journal of Optimization in Industrial Engineering. 2016. № 10(21). Р. 1-6. URL: http://qjie.ir/article_255_37.html