Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Белорусский национальный технический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Мехатроника и динамика мини-роботов

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.11.2025

Размер:

4.17 Mб

Скачать

☆

1 / 511 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Белорусский национальный технический университет

Кафедра «Теоретическая механика и мехатроника»

А. В. Чигарев

МЕХАТРОНИКА И ДИНАМИКА МИНИ-РОБОТОВ

Пособие для студентов специальности 1-55 01 03 «Компьютерная мехатроника»

Минск

БНТУ

2017

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет

Кафедра «Теоретическая механика и мехатроника»

А. В. Чигарев

МЕХАТРОНИКА И ДИНАМИКА МИНИ-РОБОТОВ

Пособие для студентов специальности 1-55 01 03 «Компьютерная мехатроника»

Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области машиностроительного оборудования и технологий

Минск

БНТУ

2017

УДК 621(075.8) ББК 31.261я73 Ч-59

Рецензенты:

кафедра «Теоретическая и прикладная механика» БГУ (зав. кафедрой – кандидат физико-математических наук, доцент Д. Г. Медведев); доктор технических наук, профессор кафедры высшей математики БГУИР

С. Е. Карпович

Чигарев, А. В.

Ч-59 Мехатроника и динамика мини-роботов: пособие для студентов специальности 1-55 01 03 «Компьютерная мехатроника» / А. В. Чига-

рев. – Минск : БНТУ, 2017. – 500 с. ISBN 978-985-583-140-3.

Пособие построено по принципу от общего к частному, что обусловливает его структуру. Первая часть дает общие представления о системах по структуре и основным свойствам: надежность, наблюдаемость, идентифицируемость, управляемость. Вторая часть содержит главы, посвященные подсистемам типичной мехатронной системы, в которых реализуются общие свойства, рассмотренные в первой части. Третья часть имеет более прикладной характер, использующий материал первых двух частей. Наиболее подробно рассмотрены модели самолетного и геликоптерного типов, а также колесные и шагающие.

Пособие предназначено для студентов специальности «Компьютерная мехатроника» и других смежных специальностей.

	УДК 621(075.8)
	ББК 31.261я73
ISBN 978-985-583-140-3	© Чигарев А. В., 2017
	© Белорусский национальный
	технический университет, 2017

Оглавление
Часть 1. Мехатроника.............................................................................	7
Глава 1. Системный подход в мехатронике.........................................	7
1.1. Системы ....................................................................................	7
1.2. Модели......................................................................................	8
1.3. Надежность.............................................................................	11
1.4. Надежность элементов системы...........................................	12
1.5. Понятие управляемости и наблюдаемости..........................	28
1.6. Управляемость, наблюдаемость, идентифицируемость
в дискретных системах.................................................................	37
Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных
динамических систем...........................................................................	43
2.1. Пространство состояний при анализе и синтезе систем ....	43
2.2. Операционный метод описания динамических систем......	47
2.3. Схемы программирования для непрерывных систем.........	53
2.4. Схемы программирования для дискретных систем............	58
2.5. Выбор переменных состояния в модели посадки
летательного аппарата..................................................................	62
2.6. Анализ устойчивости дискретных систем методом
переходных состояний..................................................................	66
Часть 2. Подсистемы мехатронных систем........................................	80
Глава 3. Механика................................................................................	80
3.1. Модели механических подсистем
мехатронной системы...................................................................	80
3.2. Модели механических подсистем и метод
механических цепей......................................................................	97
3.3. Передаточные функции пассивных двухполюсников
механических цепей....................................................................	110
Глава 4. Актуаторы.............................................................................	127
4.1. Модели и схемы преобразования энергии.........................	129
4.2. Электромагнитные поступательные
преобразователи энергии............................................................	132
4.3. Вращательные преобразователи энергии...........................	137
4.4. Некоторые конструкции электродинамических
преобразователей в двигателях постоянного тока...................	139

Глава 5. Сенсоры................................................................................	157
5.1. Модели и схемы датчиков измерений
в мехатронных системах.............................................................	157
5.2. Некоторые модели подсистем измерений..........................	169
Глава 6. Автоматы..............................................................................	179
6.1. Конечные автоматы подсистем управления
для мехатронных систем............................................................	179
6.2. Анализ автоматов.................................................................	182
6.3. Синтез автоматов.................................................................	183
Глава 7. Двоичные и цифровые системы управления.....................	191
7.1. Двоичные логические связи................................................	191
7.2. Алгебра переключательных схем.......................................	197
7.3. Комбинационные системы управления..............................	200
7.4. Цифровая электроника и цепи............................................	203
7.5. Автоматические системы управления
в системах с памятью..................................................................	240
Часть 3. Динамика мобильных миниатюрных роботов..................	248
Глава 8. Масштаб, подобие и размерность в моделях
динамических систем.........................................................................	248
8.1. Масштабный фактор. Критерии подобия ..........................	248
8.2. Формулы из теории размерности........................................	250
Глава 9. Динамика свободного твердого тела..................................	256
9.1. Кинематика абсолютно твердого тела...............................	256
9.2. Основные законы динамики твердого тела
(мини-робота) ..............................................................................	268
Глава 10. Динамика и управление беспилотными
летательными аппаратами аэропланного и других типов..............	274
10.1. Основные уравнения динамики беспилотных
летательных аппаратов...............................................................	274
10.2. Задача управления летательными аппаратами
с учетом различных факторов. Задачи управления.................	282
Глава 11. Динамика плоского продольного движения
летательного аппарата аэропланного типа.......................................	291
11.1. Линеаризация уравнения динамики
в двумерном случае....................................................................	291

11.2. Частные случаи продольного движения.
Передаточные функции и частотные характеристики............	303
Глава 12. Управление движением центра масс беспилотного
летательного аппарата........................................................................	308
12.1. Линейная модель управления высотой полета...............	308
12.2. Управление высотой полета с учетом случайных
возмущений со стороны воздушной среды..............................	314
12.3. Управление высотой полета низколетящих дронов.......	321
12.4. Управление боковым движением центра масс
беспилотного летательного аппарата .......................................	325
12.5. Управление скоростью полета центра масс дрона.........	330
Глава 13. Динамика боковых и угловых движений
беспилотного летательного аппарата ...............................................	335
13.1. Линеаризованная математическая модель боковых
движений беспилотного летательного аппарата.....................	335
13.2. Передаточные функции конкретных моделей бокового
движения беспилотного летательного аппарата......................	342
13.3. Автоматическое управление угловыми движениями
летательного аппарата................................................................	345
Глава 14. Динамика беспилотного летательного аппарата
при учете упругости элементов конструкции..................................	355
14.1. Балочные модели изгибных колебаний
корпуса дрона .............................................................................	355
14.2. Влияние флуктуаций состояния атмосферы
на динамику беспилотного летательного аппарата.................	363
Глава 15. Аэродинамические характеристики крыльев,
деталей корпуса, винтов летательных аппаратов............................	368
15.1. Профили крыльев и их аэродинамические
характеристики...........................................................................	368
15.2. Аэродинамические силы и момент..................................	370
15.3. Аэродинамические коэффициенты
и качество профиля....................................................................	374
15.4. Геометрические и аэродинамические характеристики
тел вращения...............................................................................	378
15.5. Подъемная сила тел вращения в аэродинамике..............	380

Глава 16. Динамика беспилотного летательного аппарата
ракетного типа....................................................................................	387
16.1. Динамика беспилотного летательного аппарата
с двумя плоскостями симметрии..............................................	387
16.2. Динамика осесимметричных беспилотного
летательных аппаратов ракетного типа...................................	390
Глава 17. Кинетика винтов и корпуса геликоптеров.......................	396
17.1. Кинематика лопасти винта и кинематика
вертикального движения вверх ................................................	396
17.2. Кинематика сечения мультикоптера...............................	400
17.3. Динамика корпуса мультикоптера..................................	403
17.4. Сведение винтовой мультисхемы к эквивалентной
моносхеме...................................................................................	411
17.5. Аэродинамика несущего винта геликоптера..................	414
17.6. Автоматическое управление моновинтовым
геликоптером..............................................................................	419
17.7. Схемы и устройства автопилота геликоптера................	428
Глава 18. Автоматическое управление группами дронов...............	433
18.1. Математическая модель строя как объекта
управления..................................................................................	433
18.2. Синтез автоматических систем управления
группой дронов..........................................................................	442
18.3. Динамика систем автоматического
управления группой...................................................................	450
Глава 19. Динамика колесных миниатюрных роботов...................	456
19.1. Динамика модели трехколесного
миниатюрного робота................................................................	456
19.2. Динамика модели четырехколесного
миниатюрного робота................................................................	464
19.3. Динамика модели двухколесного
миниатюрного робота................................................................	469
Глава 20. Динамика шагающего миниатюрного робота.................	479
20.1. Основные уравнения математической модели
динамики робота........................................................................	479
20.2. Некоторые приближенные модели динамики
шагающих мини-роботов..........................................................	495

Часть 1. МЕХАТРОНИКА

ГЛАВА 1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В МЕХАТРОНИКЕ

1.1. Системы

Интенсивное развитие микроэлектроники привело к миниатюризации систем датчиков информации в машинах, а также стимулировало появление микропроцессоров, мини-компьютеров, предназначенных для целей оптимизации управления и сервиса. Машины приобрели функции, которые можно назвать «умные», «интеллектуальные», при этом практически не увеличив материалоемкость. Встраивание в машины электронных систем позволило улучшить многие механические свойства, и современные машины представляют собой синтез механики и электроники, требующих для своего описания, проектирования, изготовления, эксплуатации системного подхода.

Системой называется структура, совокупность элементов с вполне определенными связями между ними.

Система отличается от просто множества, конгломерата элементов, в которых связи между элементами не определены.

Системы гомогенные состоят из подобных элементов, гетерогенные – из разных элементов.

Мехатронные системы относятся к гетерогенным, так как разные элементы функционируют на разных физических принципах.

Система представляет собой определенную структуру из элементов, предназначенную для выполнения определенных функций. Связь между структурой и функциями не взаимоодназначна: например, функция «летать» может быть реализована с помощью различных структур (самолет, вертолет, птицы и т. д.).

Сложность системы характеризуется разнообразием ее реакций на внешние воздействия.

Реальные системы в порядке возрастания их сложности классифицируются следующим образом:

1. Автоматические системы способны лишь детерминированно реагировать на внешние воздействия. Обычно их внутренняя структура элементов предназначена для возврата в равновесное состояние при выводе из него.

2.Решающие системы имеют постоянные стохастические критерии различения случайных воздействий и постоянные стохастические реакции на эти воздействия, т. е. им присущ акт решения. Постоянство структуры поддерживается своевременной заменой отказавших элементов.

3.Самоорганизующиеся системы имеют гибкие критерии разли-

чения воздействий и гибкие реакции на них в виде приспособления

кзаранее неизвестным воздействиям. Устойчивость существования таких систем обеспечивается постоянным самовоспроизведением

(структурно-информационная устойчивость). Самоорганизующиеся системы, сохраняя свою историю в памя-

ти, могут постепенно научиться предвидеть воздействия внешнего мира и заранее готовиться к нейтрализации неблагоприятных и использованию благоприятных ситуаций.

4. Трансформирующиеся (превращающиеся) системы могут при необходимости менять свою структуру, что ведет к расширению или изменению функций.

Простыми считаются системы, не превосходящие по сложности автоматические, а превосходящие – сложными.

Большими называются сложные системы со сравнительно слабыми связями между их компонентами(человекомашинные системы).

В той или иной степени системы обладают свойствами:

1)открытость – взаимодействие с внешней средой;

2)иерархия структуры;

3)стохастичность поведения;

4)изменчивость во времени.

1.2. Модели

Для получения количественного описания какой-либо реальной системы создается модель, которая является упрощенным отражением реальной системы, учитывающей основные элементы структуры и соответственно функций.

Математически более точно это можно сформулировать следующим образом.

Пусть реальная система AtR описывается числом N R параметров

x t xi t , i 1, N R ,

между которыми существует некоторое число L R зависимостей:

G jR x t C jR t ,

L R

N R ,

1,L R

Реальная система имеет

N R

L R

степеней свободы (независи-

мых параметров, черезкоторыемогутбыть выраженыостальные).

Моделью A tM

реальной системы A tR

в общем случае назы-

вается абстрактное

образование,

которое

описывается числом

N М N R параметров

, i 1,

x t xi t

связанных между собой зависимостью

, i

t Ci

1, L

Это означает, что модель имеет N M

L M степеней свободы.

Чем ближе N R к N M , L R к L M ,

тем меньше рассогласова-

ние между поведением модели и реальной системы.

Имеются два подхода в выборе модели

A tM

для реальной си-

стемы A tR .

1. Аналитический подход состоит в анализе реальной системы и приближении N R к N M и L R к L M .

2. Синтетический подход состоит в синтезе оптимальной модели, лучшей в смысле экстремума критерия

V M F M xi t

1 / 511 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
24.11.20251.33 Mб0Механика, статистическая физика и термодинамика.pdf
#
24.11.20252.44 Mб0Механика. В 2 ч. Ч. 1.pdf
#
24.11.20257.25 Mб0Механика.pdf
#
24.11.2025737.32 Кб0Механические волны.pdf
#
24.11.2025796.39 Кб0Механические колебания.pdf
#
24.11.20254.17 Mб0Мехатроника и динамика мини-роботов.pdf
#
24.11.20253.93 Mб0Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики.pdf
#
24.11.20251.38 Mб0Микропроцессоры.pdf
#
24.11.20251.63 Mб0Микроэкономика и макроэкономика.pdf
#
24.11.20251.01 Mб0Микроэкономика. Рыночное равновесие. Спрос и предложение. Эластичность спроса и предложения.pdf
#
24.11.20251.63 Mб0Микроэкономика. Теория потребительского выбора.pdf