以控制为中心的模拟器的机电一体化设计-稳定单轮机器人#中英文翻译#外文翻译匹配

国际杂志上 智能感知和智能化系统，第 2 卷，第 2， 2009 年 6 月 以控制为中心的模拟器的机电一体化设计 案例研究： Gyroscopically 稳定单轮机器人 朱震、 A. Al-Mamun and Myint Phone Nain 通讯作者： A.马蒙 (.sg) 电子与计算机工程系 新加坡民族大学 新加坡 117576 抽象 为援助复杂机电系统的设计开发一个 3 维仿真平台是本文件提出的。它使用部件由 e.g.,SolidWorks 三维绘图软件绘制的亚当斯（机械系统动力学自动分析 软件）绘制这一机制的动态行为的动画模拟。这个综合仿真平台集成了三维模拟器 ADAMS与 MATLAB软件的控制程序仿真。这种集成使设计师可以采用以控制为中心的新颖设计复杂的机械结构，这种集成使设计师可以采用以控制为中心的方去设计在机电一体化系统中使用的复杂的机械结构。单轮机器人的动态分析作为本文的一个案例去说明他的用途。这个仿真环境可以被轻松地通过简单的 alteringSolidWorks 图纸扩展到任何复杂的机械系统。 关键词 Gyrobot， 亚当斯，单轮机器人、 动态仿真 第一部分：导语 本文介绍了一个以控制为中心的用于机电一体化系统设计的方法。在这种方法下，控制器的设计不被作为一个独立问题，而是与机制设计交织在一起的。这两个设计是被同时提出的。在本文，我们通过放置一个机械系统的虚拟原型来概述这两个共存的设计的方法，这个机械系统是根据闭环控制，去分析这个系统的动态行为并进行微调的机械设计。 仿真在任何复杂的机电系统设计中都很重要，因为这关乎着复杂的结构和操作。传统上，大多数模拟是基于计算机的，还要求数学建模。这种模型用于描述系统动力学和寻找其动 态响应。这种模型还用于预测在一组给定参数和初始条件下的系统行为。 开发 3D 运动仿真的 ADAMS 与在控制界很流行的MATLAB/SIMULINK 软件结合在一起来建造一个以控制为中心的设计平台。这种运动模拟器使用了三个具有不同连接器参数的三维机械制图合并成一个复杂的机电一体化系统。这样就消除了需要导出复数和非线性系统的动态行为的数学模型。这种模拟器曾经被广泛用于在开路控制和闭路控制中分析 GYROBOT的动态行为。 亚当斯 （自动动态分析的机械系统） 开始作为一般用途的项目去分析正在进行大的非线性位移而形成非线性 力和输入的议案的系统。这种方法由尼古拉。奥尔兰代亚开发。它可以被归类为一个一般用途的数字代码，利用统筹发展非最小集的运动方程。此运动仿真软件分析复杂的行为辨识程序集，并因而使用户能够测试虚拟原型和优化设计就建立许多物理原型。它使用僵硬集成商来解决这些方程和稀疏矩阵代数来解决其最内层计算循环中的线性方程组。自成立以来，重大发展投资导致工业上复杂虚拟原型机制造工具的广泛应用。在最近发表的文章上报道了设计和开发的仿人机器人虚拟样机技术的使用。 ADAMS 允许用户从 CAD 系统中导入几何或生成一个实体模型的实现从 头做起。我们采用了第一种方法：用 SOLIDWORKS 软件制造 GYROBOT的不同部件。然后将这些部件转移到 ADAMS来制定最终模型。 GYROBOT 是一个车轮状的自主汽车，这种设计的动机被植根于正在运行的自行车和其优秀的机动能力的稳定。滚动轮有内在的持续直立的倾向。如果这种轮是倾斜的而不是落在一边，那么他就会导向倾斜的那一边。 GYROBOT 的特殊结构设计采用了转动轮子的这些特征。综合仿真平台将简化机电一体化系统的设计阶段。而且呢，他还可以让学生和研究者更深刻地理解任何复杂的机械。 ADAMS 和 MATLAB 的集成使得控制工程师完成设计周期而不生成任何原型。此外可以使用模拟结果也可以被用于对机械设计的微调。本文的结论包括： (i)用 ADAMS 软件开环仿真的 GYROBOT(ii) 闭环系统的仿真。这一综合的系统，可以用于任何机电一体化系统的控制中心的设计，只要通过简单地替换 GYROBOT任何复杂系统的机械结构的 3D 绘图。 第二节简要地解释 GYROBOT 的结构和原则。在第三节中提出的HYROBOT 的动态模拟说明了基本的操作原理。闭环模拟的结果刊载于第四部分。关键功能的开发系统和可能提高的领域在结语中突出显示。 第二部分。 GYROBOT：机械结构和模型 GYROBOT 设计的动机源于动态自行车出色的转向能力和动态稳定性。自主汽车及其转向能力的特殊结构的稳定性可以使用动态的滚动轮作为示例来解释说明。滚动轮子的角动量防止了它掉落在一侧。如果轮子被向一侧倾斜，而不至于落到那一侧去的现象是由于称为陀螺仪的精度。使 gyrobot倾斜的驱动来自于掀动重飞轮高速旋转的反应。飞轮被设置在 GYROBOT 的内壳里，并且被悬挂于 gyrobot 所使用的两轴万向节的轴上。飞轮大的角动量添加到动态稳定性，并提供对态度扰乱的不敏感性。因此，即使固定式 gyrobot 可以直立。这种特殊结构在很多方面比起常规多轮式自主车辆有着优势。由于电子零件时闭路的， gyrobot 是特别适合潮湿地区的。 其操作原理如示意图 1的解释： 飞轮被悬浮在使用倾斜旋转飞轮万向节的 gyrobot 的轨上。飞轮附加到内部万向节和纺成旋转电机。被附加到外万向支架的这个倾斜电机可以使内部万向节倾斜并使飞轮快速旋转向任一侧。通过这一平台的 GYROBOT的轨和这一平台悬挂着万向节和飞轮结构。 Gyrobot 的外壳是硬性加入到轨的。运行着的电动机使轮子 转动 ；轮子的转速可以通过控制驱动电机的转速控制。有兴趣的读者可参考 4-6 和许多其他引用中关于稳定单轮机器人的操作的详细信息。 Gyrobot 的模型图在 SolidWorks 和实际的硬件中绘制的图如 2 所示。图示组件与实际每一组件同等大小和形状。为了减少 ADAMS模型图的复杂性，只有机械部件包括在 SolidWorks 绘图 ；这些都是 theouter 轮、 内部万向节、 外万向节、 飞轮用其支撑结构。这个结构是 gyrobot 的足以反映出，稍后将被审查的物理属性。质量、密度和摩擦。亚 当斯 /视图中定义。 (a) Solidworks 绘图的 gyrobot (b) 内部机械图硬件 2： 外部视图和内部机制的 gyrobot 。 第三部分： 在亚当斯动力学仿真 在本节中，我们给出仿真结果来说明的 gyrobot基本操作。这些开环模拟使用亚当斯只 开始 进行 。 亚当斯 A. gyrobot模型 通过引入 3D图纸在 SolidWorks创建了 gyrobot亚当斯模型 parasolids 文件。材料，质量，密度和摩擦进行定义。质量和惯性 自动计算。表一列出的机器人组件主要的动态特性 提出了亚当斯模型。 gyrobot 模型在亚当斯环境需要几个方面考虑，如重力，接触 约束，摩擦，惯性和参考标记，使良好的逼近 真正的机器人的行为。该机构各关节的运动是与一个特定的定义。比如说呢。 驱动关节被指定为一个转动关节，本联合相关旋转指定 车轮的滚动运动 。 B.仿真设置 适当的动态仿真的需要之间的接触特性的近似地 和轮辋。实际gyrobot RIM 铝箔包裹，是在一个水平测试 表面覆盖的铝板。摩擦系数是 0.95，静态条件选择 。 和 0.8的动态条件下，在协议与 之匹配 。 亚当斯 /求解器做所有的计算 所需要的模拟运动。它允许不同类型对于一个特定的问题积分器。在每个积分的详细解释，可以发现在 亚当斯 /求解器文件 积分设置， gstiff 是大多数机械系统推荐的积分器 。 我们使用默认的积分器，制定和修正。可以使用其他的积分设置，基于 模拟式（其他比 gyrobot模型）清楚理解积分器设定 在亚当斯 /求解器文件 。 有指定的模拟频率，内部频率和步长。模拟频率 更新图形显示的频率，而内部的频率是密切相关的 正在研究的系统。它代表了在该组件的状态被改变的速度。内部频率 在仿真环境和其他求解器的设置非常重要的参数必须设置依据 与内部频率 。 飞轮是整个结构中移动最快的对象。如果飞轮频率为 Y程度 每秒（基于其速度计算）和所需的运动中的每一步的飞轮 集成度 步骤，然后优化步长（扬程 ） 。 C.开环仿真结果 动量守恒定律和陀螺进动控制的 gyrobot操作。 的快速旋转的角动量大，重型飞轮 克服外部 如倾动力矩引起的重力扰动。根据角动量守恒， 高自旋车轮速度，更长的 机器人应该能够自己站起来 。 我们验证了飞轮转速对平衡轮通过模拟运动的影响 不同的飞轮转速的同时保持外部力量，如重力不变。模拟 七种不同的飞轮转速 1000转和 7000 转之间进行，最高速 飞轮的。每个飞轮转速，仿真是两个条件 做（一）保持 gyrobot固定和（ b）使它滚动的速度在每分钟 30转。结果总结在表 II。这显然是 显然，时间随飞轮转速的增加而下降gyrobot， 与角动量守恒。当车轮，其角动量 增加了飞轮的角动量平衡的努力帮助。它是观察到的 相同的转速，过了秋天 gyrobot卷时间较长时。 倾斜试验期间， gyrobot假设是站在平坦表面与飞轮旋转 300转速。第二，飞轮是倾斜 0230.5秒造成平均倾斜速度 46 s。本仿真结果示于图 3。该图显示，而飞轮 23倾斜，整个 gyrobot 倾斜 57。这符合仿真和实验 结果发表在 8 - 9 。学习的速度和 gyrobot进动率也绘制在 相同的图。测试是通过倾斜的飞轮从 0到 0.5秒。 结果再次重复 7图 4所示是 在陀螺进动的概念整合 。 第四部分： 仿真与闭环控制 本设计环境发展的动机是由需要控制为中心的方法 机电一体化设计。将模拟能力，在闭环控制是必不可少的。 在本节中，我们 提出了闭环控制的仿真结果 。 A.亚当斯控制器的实现 作为第一步， gyrobot 放置的闭环控制下的控制器实现的亚当斯。我们的最终目标是亚当斯与 MATLAB之间的接口。这样的接口将保证每个软件的使用它的任务是适当的 亚当斯的三维动态仿真 设计的控制器的机械结构和 MATLAB仿真。 仿真结果与 PD（比例加微分）控制器中实现亚当 下图所示。用于这 些模拟控制器报告 6 较早，而设计 使用的 gyrobot线性模型，通过线性化的系统动力学在其垂直位置获得。 因此控制器 可能无法正常工作的倾斜角度大时。用于此控制法 模拟了下，在 =（ - 90）是从垂直位置的倾斜角的变化中 例如， = 90。 B 中 MATLAB SIMULINK实现控制器 亚当斯是用于动态三维仿真，它的能力非常有限，为了实现 控制器。我们创造了亚当斯和 Matlab / Simulink之间的界面， 控制器可以实现使用 Simulink。 闭环响应控制器实现在 Simulink。这些 结果是那些在亚当斯获得相同的控制器实现。亚当斯与整合 让我们利用 MATLAB的更好的方面。现在我们不再被限制 亚当斯在实现控制器和我们可以尝试更复杂的控制器 结构包括模糊逻辑控制，滑模控制等。 第五部分：结语 gyrobot 在 ADAMS 环境中的动态仿真模拟已被成功开发。少量的实验验证了 gyrobot的操作，也就是说角动量和陀螺游行的运作原则有了法律保护。测试结果显示虚拟原型的行为是根据两项原则，因此，在亚当斯的虚拟 gyrobotcreated 表示实际的机械系统。控制器 也被实施以加强建设这种虚拟机器人的理由。这个虚拟原型现在可以用于各种调查，否则耗时或耗费财力。使用的内部控制模板提供由亚当斯设计和实施闭环操作限制此虚拟系统的灵活性作为一个有效的工具。所以我们集成 ADAMS 和 MATLAB /SIMULINK 要利用它的力量。 引用： 1 N.奥尔兰代亚、 发展和应用面向稀疏度的节点类似方法 forsimulation 的机械动力系统、 博士论文，密歇根大学，安阿伯 MI、 美国， 1973 2