外文翻譯--Gyroscopically 穩(wěn)定單輪機器人【中文4200字】【中英文文獻譯文】

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Al-Mamun and Myint Phone Nain 通訊作者： A.馬蒙 (eleaam@nus.edu.sg) 電子與計算機工程系 新加坡民族大學 新加坡 117576 ? ? ? ? 抽象 — —為援助復雜機電系統(tǒng)的設計開發(fā)一個3 維仿真平臺是本文件提出的。它使用部件由e.g.,SolidWorks 三維繪圖軟件繪制的亞當斯（機械系統(tǒng)動力學自動分析 軟件）繪制這一機制的動態(tài)行為的動畫模擬。這個綜合仿真平臺集成了三維模擬器ADAMS與 MATLAB軟件的控制程序仿真。這種集成使設計師可以采用以控制為中心的新穎設計復雜的機械結構，這種集成使設計師可以采用以控制為中心的方去設計在機電一體化系統(tǒng)中使用的復雜的機械結構。單輪機器人的動態(tài)分析作為本文的一個案例去說明他的用途。這個仿真環(huán)境可以被輕松地通過簡單的 alteringSolidWorks 圖紙擴展到任何復雜的機械系統(tǒng)。 ? 關鍵詞 — — Gyrobot，亞當斯，單輪機器人、 動態(tài)仿真 第一部分：導語 本文介紹了一個以控制為中心的用于機電一體化系統(tǒng)設計的方法。在這種方法下，控制器的設計不被作為一個獨立問題，而是與機制設計交織在一起的。這兩個設計是被同時提出的。在本文，我們通過放置一個機械系統(tǒng)的虛擬原型來概述這兩個共存的設計的方法，這個機械系統(tǒng)是根據(jù)閉環(huán)控制，去分析這個系統(tǒng)的動態(tài)行為并進行微調(diào)的機械設計。 仿真在任何復雜的機電系統(tǒng)設計中都很重要，因為這關乎著復雜的結構和操作。傳統(tǒng)上，大多數(shù)模擬是基于計算機的，還要求數(shù)學建模。這種模型用于描述系統(tǒng)動力學和尋找其動態(tài)響應。這種模型還用于預測在一組給定參數(shù)和初始條件下的系統(tǒng)行為。 開發(fā)3D運動仿真的ADAMS與在控制界很流行的MATLAB/SIMULINK軟件結合在一起來建造一個以控制為中心的設計平臺。這種運動模擬器使用了三個具有不同連接器參數(shù)的三維機械制圖合并成一個復雜的機電一體化系統(tǒng)。這樣就消除了需要導出復數(shù)和非線性系統(tǒng)的動態(tài)行為的數(shù)學模型。這種模擬器曾經(jīng)被廣泛用于在開路控制和閉路控制中分析GYROBOT的動態(tài)行為。 亞當斯 （自動動態(tài)分析的機械系統(tǒng)） 開始作為一般用途的項目去分析正在進行大的非線性位移而形成非線性力和輸入的議案的系統(tǒng)。這種方法由尼古拉。奧爾蘭代亞開發(fā)。它可以被歸類為一個一般用途的數(shù)字代碼，利用統(tǒng)籌發(fā)展非最小集的運動方程。此運動仿真軟件分析復雜的行為辨識程序集，并因而使用戶能夠測試虛擬原型和優(yōu)化設計就建立許多物理原型。它使用僵硬集成商來解決這些方程和稀疏矩陣代數(shù)來解決其最內(nèi)層計算循環(huán)中的線性方程組。自成立以來，重大發(fā)展投資導致工業(yè)上復雜虛擬原型機制造工具的廣泛應用。在最近發(fā)表的文章上報道了設計和開發(fā)的仿人機器人虛擬樣機技術的使用。 ADAMS允許用戶從 CAD 系統(tǒng)中導入幾何或生成一個實體模型的實現(xiàn)從頭做起。我們采用了第一種方法：用 SOLIDWORKS軟件制造 GYROBOT的不同部件。然后將這些部件轉(zhuǎn)移到ADAMS來制定最終模型。GYROBOT是一個車輪狀的自主汽車，這種設計的動機被植根于正在運行的自行車和其優(yōu)秀的機動能力的穩(wěn)定。滾動輪有內(nèi)在的持續(xù)直立的傾向。如果這種輪是傾斜的而不是落在一邊，那么他就會導向傾斜的那一邊。GYROBOT 的特殊結構設計采用了轉(zhuǎn)動輪子的這些特征。綜合仿真平臺將簡化機電一體化系統(tǒng)的設計階段。而且呢，他還可以讓學生和研究者更深刻地理解任何復雜的機械。ADAMS和 MATLAB的集成使得控制工程師完成設計周期而不生成任何原型。此外可以使用模擬結果也可以被用于對機械設計的微調(diào)。本文的結論包括：(i)用ADAMS軟件開環(huán)仿真的GYROBOT(ii) 閉環(huán)系統(tǒng)的仿真。這一綜合的系統(tǒng)，可以用于任何機電一體化系統(tǒng)的控制中心的設計，只要通過簡單地替換GYROBOT任何復雜系統(tǒng)的機械結構的3D 繪圖。 第二節(jié)簡要地解釋GYROBOT的結構和原則。在第三節(jié)中提出的HYROBOT的動態(tài)模擬說明了基本的操作原理。閉環(huán)模擬的結果刊載于第四部分。關鍵功能的開發(fā)系統(tǒng)和可能提高的領域在結語中突出顯示。 第二部分。GYROBOT：機械結構和模型 GYROBOT設計的動機源于動態(tài)自行車出色的轉(zhuǎn)向能力和動態(tài)穩(wěn)定性。自主汽車及其轉(zhuǎn)向能力的特殊結構的穩(wěn)定性可以使用動態(tài)的滾動輪作為示例來解釋說明。滾動輪子的角動量防止了它掉落在一側(cè)。如果輪子被向一側(cè)傾斜，而不至于落到那一側(cè)去的現(xiàn)象是由于稱為陀螺儀的精度。使gyrobot傾斜的驅(qū)動來自于掀動重飛輪高速旋轉(zhuǎn)的反應。飛輪被設置在 GYROBOT的內(nèi)殼里，并且被懸掛于gyrobot 所使用的兩軸萬向節(jié)的軸上。飛輪大的角動量添加到動態(tài)穩(wěn)定性，并提供對態(tài)度擾亂的不敏感性。因此，即使固定式 gyrobot 可以直立。這種特殊結構在很多方面比起常規(guī)多輪式自主車輛有著優(yōu)勢。由于電子零件時閉路的，gyrobot 是特別適合潮濕地區(qū)的。 其操作原理如示意圖1的解釋： 飛輪被懸浮在使用傾斜旋轉(zhuǎn)飛輪萬向節(jié)的gyrobot 的軌上。飛輪附加到內(nèi)部萬向節(jié)和紡成旋轉(zhuǎn)電機。被附加到外萬向支架的這個傾斜電機可以使內(nèi)部萬向節(jié)傾斜并使飛輪快速旋轉(zhuǎn)向任一側(cè)。通過這一平臺的GYROBOT的軌和這一平臺懸掛著萬向節(jié)和飛輪結構。Gyrobot 的外殼是硬性加入到軌的。運行著的電動機使輪子轉(zhuǎn)動 ；輪子的轉(zhuǎn)速可以通過控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速控制。有興趣的讀者可參考 [4]-[6] 和許多其他引用中關于穩(wěn)定單輪機器人的操作的詳細信息。 Gyrobot 的模型圖在 SolidWorks 和實際的硬件中繪制的圖如 2 所示。圖示組件與實際每一組件同等大小和形狀。為了減少ADAMS模型圖的復雜性，只有機械部件包括在 SolidWorks 繪圖 ；這些都是 theouter 輪、 內(nèi)部萬向節(jié)、 外萬向節(jié)、 飛輪用其支撐結構。這個結構是 gyrobot 的足以反映出，稍后將被審查的物理屬性。質(zhì)量、密度和摩擦。亞當斯/視圖中定義。(a) Solidworks 繪圖的 gyrobot (b) 內(nèi)部機械圖硬件2： 外部視圖和內(nèi)部機制的 gyrobot 。 ?第三部分：在亞當斯動力學仿真 在本節(jié)中，我們給出仿真結果來說明的gyrobot基本操作。這些開環(huán)模擬使用亞當斯只開始進行。 亞當斯A. gyrobot模型 通過引入3D圖紙在SolidWorks創(chuàng)建了gyrobot亞當斯模型parasolids file. Material, mass, density and friction are then defined. Mass and inertial are parasolids文件。材料，質(zhì)量，密度和摩擦進行定義。質(zhì)量和慣性automatically calculated. Table I lists main dynamic characteristics of the robot components for the自動計算。表一列出的機器人組件主要的動態(tài)特性proposed ADAMS model.提出了亞當斯模型。 gyrobot模型在亞當斯環(huán)境需要幾個方面考慮，如重力，接觸constraints, friction, inertial properties and reference markers, which enable good approximation of約束，摩擦，慣性和參考標記，使良好的逼近real robot behavior. Each joint of the mechanism is defined with a particular motion. For example,真正的機器人的行為。該機構各關節(jié)的運動是與一個特定的定義。比如說呢。the driving joint is specified as a revolute joint so the rotation associated with this joint specifies the驅(qū)動關節(jié)被指定為一個轉(zhuǎn)動關節(jié)，本聯(lián)合相關旋轉(zhuǎn)指定rolling motion of the wheel車輪的滾動運動。 B.仿真設置 適當?shù)膭討B(tài)仿真的需要之間的接觸特性的近似地and wheel rim. The actual gyrobot rim is wrapped in aluminum foil and is tested on a horizontal和輪輞。實際gyrobot RIM鋁箔包裹，是在一個水平測試surface covered by aluminum plate. The friction coefficients chosen are 0.95 for the static condition表面覆蓋的鋁板。摩擦系數(shù)是0.95，靜態(tài)條件選擇and 0.8 for the dynamic condition, in agreement with。和0.8的動態(tài)條件下，在協(xié)議與之匹配。 亞當斯/求解器做所有的計算所需要的模擬運動。它允許不同類型of integrator for a particular problem. Detailed explanation on each integrator can be found in對于一個特定的問題積分器。在每個積分的詳細解釋，可以發(fā)現(xiàn)在ADAMS/Solver documents亞當斯/求解器文件 積分設置，gstiff是大多數(shù)機械系統(tǒng)推薦的積分器。We use default integrator, formulation and corrector. One may use other integrator settings, based on我們使用默認的積分器，制定和修正。可以使用其他的積分設置，基于the simulation type (for models other than gyrobot) with clear understanding of integrator setting模擬式（其他比gyrobot模型）清楚理解積分器設定documents on ADAMS/Solver在亞當斯/求解器文件。 有指定的模擬頻率，內(nèi)部頻率和步長。模擬頻率the frequency of updating the graphic display, whereas internal frequency is closely related to the更新圖形顯示的頻率，而內(nèi)部的頻率是密切相關的system under study. It represents the speed at which component states are changed. Internal frequency正在研究的系統(tǒng)。它代表了在該組件的狀態(tài)被改變的速度。內(nèi)部頻率is very important parameter in simulation setting and other solver settings must be set in accordance在仿真環(huán)境和其他求解器的設置非常重要的參數(shù)必須設置依據(jù)with the internal frequency與內(nèi)部頻率。 飛輪是整個結構中移動最快的對象。如果飛輪頻率為Y程度per second (calculated based on its speed) and the desired motion of the flywheel in each step of每秒（基于其速度計算）和所需的運動中的每一步的飛輪integration is θStep degree, then the optimal step size (Hmax) is obtained using集成度θ步驟，然后優(yōu)化步長（揚程）。 C.開環(huán)仿真結果 動量守恒定律和陀螺進動控制的gyrobot操作。Large angular momentum of the fast-spinning, heavy flywheel aids to overcome the external的快速旋轉(zhuǎn)的角動量大，重型飛輪克服外部disturbance such as tilting torque caused by gravity. According to conservation of angular momentum,如傾動力矩引起的重力擾動。根據(jù)角動量守恒，the higher the spin wheel velocity, the longer the robot should be able to stand by itself高自旋車輪速度，更長的機器人應該能夠自己站起來。 我們驗證了飛輪轉(zhuǎn)速對平衡輪通過模擬運動的影響different flywheel speeds while keeping external forces, e.g., gravity unchanged. Simulations are不同的飛輪轉(zhuǎn)速的同時保持外部力量，如重力不變。模擬carried out with seven different flywheel speeds between 1000 rpm and 7000 rpm, the highest speed七種不同的飛輪轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)和7000轉(zhuǎn)之間進行，最高速of the flywheel. For each flywheel speed, simulation is done for two conditions – (a) keeping gyrobot飛輪的。每個飛輪轉(zhuǎn)速，仿真是兩個條件–做（一）保持gyrobotstationary and (b) making it roll at a speed of 30 rpm. Results are summarized in Table II. It is clearly固定和（b）使它滾動的速度在每分鐘30轉(zhuǎn)。結果總結在表II。這顯然是evident that time elapsed before the fall of gyrobot increases with increasing flywheel speed, which顯然，時間隨飛輪轉(zhuǎn)速的增加而下降gyrobot，conforms to the conservation of angular momentum. When the wheel rolls, its angular momentum與角動量守恒。當車輪，其角動量adds to the angular momentum of the flywheel aiding the balancing effort. It is observed that for增加了飛輪的角動量平衡的努力幫助。它是觀察到的identical flywheel speed, time elapsed before the fall is longer when gyrobot rolls.相同的轉(zhuǎn)速，過了秋天gyrobot卷時間較長時。 傾斜試驗期間，gyrobot假設是站在平坦表面與飛輪旋轉(zhuǎn)300rpm. At 0.5 second, the flywheel is tilted from 0° to 23° in 0.5 second causing an average tilt velocity轉(zhuǎn)速。第二，飛輪是傾斜0°23°0.5秒造成平均傾斜速度of 46°/s. The results of this simulation are shown in Fig. 3. The plots show that while the flywheel is46°／s。本仿真結果示于圖3。該圖顯示，而飛輪tilted by 23°, the entire gyrobot is tilted by -57°. This conforms to the simulation and experimental23°傾斜，整個gyrobot傾斜57°。這符合仿真和實驗results published in [8]-[9]. Leaning velocity and precession rate of the gyrobot are also plotted in the結果發(fā)表在[ 8 ] - [ 9 ]。學習的速度和gyrobot進動率也繪制在same figure. The test is repeated by tilting the flywheel from 0° to -7° in 0.5 s. Again the results相同的圖。測試是通過傾斜的飛輪從0到0.5秒?！憬Y果再次重復7°shown in Fig. 4 are in conformity with the concept of gyroscopic precession圖4所示是在陀螺進動的概念整合。 第四部分：仿真與閉環(huán)控制 本設計環(huán)境發(fā)展的動機是由需要控制為中心的方法mechatronics design. Incorporating the capability of simulating under closed loop control is essential.機電一體化設計。將模擬能力，在閉環(huán)控制是必不可少的。In this section, we present simulation results for closed loop control在本節(jié)中，我們提出了閉環(huán)控制的仿真結果。 A.亞當斯控制器的實現(xiàn) 作為第一步，gyrobot放置的閉環(huán)控制下的控制器實現(xiàn)的亞當斯。Our ultimate goal is an interface between ADAMS and MATLAB. Such interface would ensure that我們的最終目標是亞當斯與MATLAB之間的接口。這樣的接口將保證each software is used for the task it is appropriate for – ADAMS for 3D dynamic simulation of每個軟件的使用它的任務是適當?shù)抹C亞當斯的三維動態(tài)仿真mechanical structure and MATLAB for design of controller.設計的控制器的機械結構和MATLAB仿真。 仿真結果與PD（比例加微分）控制器中實現(xiàn)亞當shown next. Controller used for these simulations was reported earlier in [6], which was designed下圖所示。用于這些模擬控制器報告[ 6 ]較早，而設計using a linear model of the gyrobot, obtained by linearizing system dynamics at its vertical position.使用的gyrobot線性模型，通過線性化的系統(tǒng)動力學在其垂直位置獲得。So the controller may not work well when the lean angle is large. The control law used for this因此控制器可能無法正常工作的傾斜角度大時。用于此控制法simulation is given next, where δβ = (β - 90°) is the change in lean angle from the vertical position,模擬了下，在δβ=（β- 90°）是從垂直位置的傾斜角的變化中i.e., β = 90°,例如，β= 90°。 B．中MATLAB SIMULINK實現(xiàn)控制器 亞當斯是用于動態(tài)三維仿真，它的能力非常有限，為了實現(xiàn)controller. We created an interface between ADAMS and MATLAB/SIMULINK so that the控制器。我們創(chuàng)造了亞當斯和Matlab / Simulink之間的界面，controller can be implemented using SIMULINK控制器可以實現(xiàn)使用Simulink。 閉環(huán)響應控制器實現(xiàn)在Simulink。這些results are identical to those obtained with controller realized in ADAMS. Integrating ADAMS with結果是那些在亞當斯獲得相同的控制器實現(xiàn)。亞當斯與整合MATLAB let us exploit the better aspects of both. Now we are no longer restricted by the limitations讓我們利用MATLAB的更好的方面?，F(xiàn)在我們不再被限制of ADAMS in implementing controllers and we can experiment with more complex controller亞當斯在實現(xiàn)控制器和我們可以嘗試更復雜的控制器structures including fuzzy logic control, sliding mode control etc.結構包括模糊邏輯控制，滑?？刂频取? 第五部分：結語 gyrobot在ADAMS 環(huán)境中的動態(tài)仿真模擬已被成功開發(fā)。少量的實驗驗證了gyrobot的操作，也就是說角動量和陀螺游行的運作原則有了法律保護。測試結果顯示虛擬原型的行為是根據(jù)兩項原則，因此，在亞當斯的虛擬 gyrobotcreated 表示實際的機械系統(tǒng)?？刂破饕脖粚嵤┮约訌娊ㄔO這種虛擬機器人的理由。這個虛擬原型現(xiàn)在可以用于各種調(diào)查，否則耗時或耗費財力。使用的內(nèi)部控制模板提供由亞當斯設計和實施閉環(huán)操作限制此虛擬系統(tǒng)的靈活性作為一個有效的工具。所以我們集成 ADAMS 和 MATLAB /SIMULINK 要利用它的力量。 引用： [1] N.奧爾蘭代亞、 發(fā)展和應用面向稀疏度的節(jié)點類似方法 forsimulation 的機械動力系統(tǒng)、 博士論文，密歇根大學，安阿伯 MI、 美國，1973 [2] R.Rampalli，"亞當斯 — — 使用稀疏矩陣方法解決多體動力學問題"，美國國家航空航天局講習班上多體仿真、 加州研究所的技術，美國，1987 [3] N.E.N.· 羅德里格斯，G.卡蓬和 M.Ceccarelli"設計和運行 ofCALUMA 的仿真結果新的低成本仿人機器人"，Robotica，2008 年， 第 26 頁 601-618 ? 畢業(yè)設計（論文）外文 文獻翻譯 題 目： 輪式機器人控制技術研究 專業(yè)名稱： 自動化 學生姓名： 張俊 班 級： 163002 學 號： 103614 指導教師： 邢超