Читать онлайн «Методы управления робототехническими приложениями. Учебное пособие»

О. И. Борисов, В. С. Громов, А. А. Пыркин МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ ПРИЛОЖЕНИЯМИ Санкт-Петербург 2016 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УНИВЕРСИТЕТ ИТМО О. И. Борисов, В. С. Громов, А. А. Пыркин МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ ПРИЛОЖЕНИЯМИ Учебное пособие Санкт-Петербург 2016 УДК 681. 51, 681. 53, 681. 58 Борисов О. И. , Громов В. С. , Пыркин А. А. , Методы управления робото- техническими приложениями. Учебное пособие. — СПб. : Университет ИТМО, 2016. — 108 с. Учебное пособие посвящено методам управления многозвенными робото- техническими системами. Рассмотрены решения кинематических задач по положению и скоростям. Представлены подходы к решению задач планирова- ния движений роботов. Представлены методы синтеза регуляторов в задачах стабилизации и слежения. Приведены особенности организации аппаратной и программной частей систем технического зрения. Пособие предназначено для студентов факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО, обучающихся по направлениям 15. 04. 06 Мехатроника и робототехника, 27. 04. 03 Системный анализ и управление, 27. 04. 04 Управление в технических системах. Илл. 35, список литературы — 50 наим. Одобрено на заседании кафедры СУиИ, протокол № 3 от 19. 05. 2016 Одобрено Ученым советом факультета СУиР, протокол № 5 от 21. 06. 2016 Пособие подготовлено при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (Госзадание 2014/190 (проект 2118)). Университет ИТМО –– ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 в 100». Цель Университета ИТМО – станов- ление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательско- го по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений дея- тельности. ○c Университет ИТМО, 2016 c Борисов О. И. , Громов В. С. , Пыркин А. А. , 2016 ○ Оглавление Введение 5 Глава 1 Кинематический анализ 9 1. 1 Базовые сведения и основные понятия . . . . . . . . . . 9 1. 2 Прямая задача кинематики . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1. 2. 1 Алгоритм присвоения систем координат . . . . . 11 1. 2. 2 Определение параметров Денавита-Хартенберга 13 1. 2. 3 Матричные однородные преобразования . . . . . 15 1. 2. 4 Расчет углов Эйлера . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1. 3 Обратная задача кинематики . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1. 4 Кинематика скоростей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1. 4. 1 Линейная часть матрицы Якоби манипулятора . . 31 1. 4. 2 Угловая часть матрицы Якоби манипулятора . . . 33 1. 4. 3 Итоговая матрица Якоби манипулятора . . . . . . 34 1. 4. 4 Аналитическая матрица Якоби манипулятора . . 35 1. 4. 5 Сингулярные конфигурации . . . . . . . . . . . . 36 1. 4. 6 Обратная задача кинематики скорости . . . . . . 37 Глава 2 Планирование движения 39 2. 1 Базовые сведения и основные понятия . . . . . . . . . . 39 2. 2 Планирование маршрута . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2. 2. 1 Метод декомпозиции на ячейки . . . . . . . . . . 41 2. 2. 2 Метод потенциального поля . . . . . . . . . . . . 43 2. 2. 3 Метод вероятностной дорожной карты . . . . . . 46 2. 3 Планирование траектории . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2. 3. 1 Односегментная траектория . . . . . . . . . . . . 49 4 Оглавление 2. 3. 2 Многосегментная траектория . . . . . . . . . . . 50 Глава 3 Управление движением 55 3. 1 Одномерное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3. 1. 1 Динамическая модель вращательного сочленения 55 3. 1. 2 ПД- и ПИД-регуляторы . . . . . . . . . . . . . . . 58 3. 1. 3 Робастное управление . . . . . . . . . . . . . . . 60 3. 1. 4 Насыщение входного сигнала . . . . . . . . . . . 63 3. 1. 5 Слежение за заданной траекторией . . . . . . . . 65 3. 2 Многомерное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3. 2. 1 Динамическая модель манипулятора . . . . . . . 67 3. 2. 2 Стабилизация заданной конфигурации . . . . . . 71 3. 2. 3 Слежение за заданной траекторией . . . . . . . . 73 3. 2. 4 Робастная линеаризация по обратной связи . . . 75 3. 2. 5 Управление на основе пассификации . . . . . . . 79 Глава 4 Техническое зрение 81 4. 1 Аппаратная структура системы технического зрения . . 81 4. 2 Обработка данных от цифровой видеокамеры . . . . . . 87 4. 3 Обработка данных от времяпролетной камеры . . . . . . 94 Заключение 98 Список литературы 100 Введение Одним из важных разделов современной теории автоматическо- го управления является разработка систем управления многозвенными роботами-манипуляторами.